DE1401438A1 - Gleichlauf-Stroemungs-Maschine - Google Patents

Description

• Gleichlauf-Strömungs-Mas chine p Es ist zum Beispiel für Gasturbinen von besonderer Bedeutung den Wirkungsgrad ihrer Strömungsmaschinen für Verdichtung und Entspannung zu verbessern. Von Bedeutung ist auch, die in einer Stufe solcher Maschinen zu erzeugende (Verdichtung, Pumpe) oder zu verarbeitende (Turbine) Druckhöhe (z. B. mkg/kg Wärmegefälle einer Turbine) möglichst groß machen zu können, Zu diesem Zwecke werden Gleichlaufströmungsmaschinen vorgeschlagen, die im folgenden beschrieben sind. Nach dem Stand der Technik besteht die Stufe einer Strömungsmaschine und damit diese selbst - soweit sie zur Erzeugung oder Verarbeitung der Druckhöhe in Frage kommt - aus zwei Systemen mit entgegengesetzt gerichteten Drehmomenten und entgegengesetzten Drehrichtungen. Unter einem System werden hier und im folgenden die zu einer Einheit gleicher Drehzahl und gleichen Drehsinns zusammengefaßten Teile wie Schauf elgitter usw. verstanden. Obige Definition der Stufe schließt den Sonderfall, daß bin System die Drehzahl Null hat, also feststeht, ein. In der Praxis ist dieser "Sonderfall" üblich. Für die verallgemeinerte Definition der Stufe ist die Gegenlaufturbine beke;nnt geworden. Der Grund für die Anwendung des Gegenlauf-Prinzips ist, daß es damit möglich wird, za. B. bei Radial- Turbinen durch die dabei auftretende Verdoppelung der relativen Umfangsgeschwindigkeiten der beiden Systeme gegenüber einer gleichen Turbine mit nur einem umlaufenden System, also unter Beibehaltung der absoluten Umfangsgeschwindigkeiten und damit der Fliehkraftbeanspruchungen, das verarbeitbare Wärmegefälle auf das vierfache zu erhöhen. Die vorliegende Strömungsmaschine zur Verarbeitung oder Erzeugung einer Druckhöhe unterscheidet sich von den bekannten dadurch, daß - jetzt mit dem Ziel der Verminderung der Strömungsverluste - eine Stufe und zwar vorzugsweise eine radial beaufschlagte mindestens zwei umlaufende Systeme mit gleichgerichteten Drehmomenten und gleicher Drehrichtung jedoch mit verschiedenen Drehzahlen aufweist. Strömungskupplungen z. B. haben auch gleichläufige Systeme. Die Aufgabe dabei ist aber eine andere als im vorliegenden Falle. Während unter Aufwendung einer mechanischen Arbeit das eine System Druck- und Geschwindigkeitshöhe erzeugt, soll das andere System diese wieder in mechanische Arbeit umsetzen. Dementsprechend sind die Drehmomente der beiden in gleicher Richtung umlaufenden Systeme einander entgegengesetzt gerichtet. Es handelt sich in diesen Fällen nicht um Gleichlaufströmungsmaschinen der vorliegenden Art, also nicht um Gleichlaufpumpen oder um Gleichlaufturbinen, sondern

  jeweils um die unmittelbare Hintereinanderschaltung einer

  lf.2w

  Pumpe und einer Turbine, a@e-r von zwei Strömungsmaschinen

  mit verschiedenem Zweck, in einem gemeinsamen Gehäuse. Im folgenden soll auf die Einzelheiten der vorliegenden Gleichlauf-Strömungsmaschine und auf die mit ihr erreichbaren Vorteile, insbesondere in Richtung der Verminderung der Strömungsverluste, eingegangen werden:. Zunächst werden einer radial von innen nach außen (Verdichter) oder einer radial von außen nach innen (Turbine) durchströmten Laufschauf elreihe, vorzugsweise mit am Austritt vor- bzw. rückwärts gekrümmten Schaufeln, ohne Zwischenschaltung feststehender Leitapparate ein, zwei oder mehrere Schaufelreihen möglichst mit gleicher Art der Profile vor - (Verdichter) bzw. nachgeschaltet (Turbine), wobei alle Schaufelreihen im deichen Sinne aber mit verschiedenen Drehzahlen umlaufen, derart, daß die äußerste Schaufelreihe die höchste, die innerste Schaufelreihe die niedrigste hat und die mittleren Schaufelreihen - sinngemäß gestuft - zwischen den beiden genannten Drehzahlen liegende Drehzahlen aufweisen. Es wird so möglich, bei praktisch verlustloser Erzeugung oder Verarbeitung einer Druckhöhe im wesentlichen durch Umfan gsgeschwindigkeit jeder dieser Schaufelreihen, gleich- mit und für die äußere bzw. innere zeitig sehr verlustarm eine große Geschwindigkeitshöhe mit gleich der absoluten Ab- öder Zuströmgeschwindigkeit am äußeren Umfang der äußeren gleichläufigen Schaufelreihe, zu erzeugen bzw. zu verarbeiten. Durch die zwei- oder mehrstufige Erzeugung oder Verarbeitung der Geschwindigkeitshöhe werden die dabei auftre tenden Strömungsverluste bedingenden durch zwei oder mehrere gleichläufige Schaufelreihen Werte, nämlich für den Umlenkwinkel und für die relative Strömungsenergie in den Schaufelkan älen im Verhältnis zur erzeugten oder verarbeiteten Gesamtenergie in einem Verdichter oder in einer Turbine sehr klein. ( = erzeugte oder verarbeitete Druckhöhe in den gleichläufigen Schaufelreihen.) Des weiteren wird die Verlustzahl in der Bestimmungsgleichung für den Strömungsverlust in einer Schaufelreihe nicht nur auf Grund des kleinen Umlenkwinkels sondern noch weiter auf Grund des vorgeschalteten, in gleicher Richtung umlaufenden Systems gegenüber einer gleichen Schaufelreihe mit vorgeschaltetem feststehendem System verbessert, worauf später noch eingegangen wird. Da im vorliegendem Falle beim Verdichter die Schaufelblätter auf ihrer Austrittsseite nach vorwärts gekrümmt sind ergibt sich eine absolute Abströmgeschwindigkeit von der letzten gleichläufigen Schaufelreihe, die größer ist als deren Umfangsgeschwindigkeit an dieser Stelle, und damit die Voraussetzung für eine große Druckhöhe am Verdichteraustritt. Hierauf muß besonders hingewiesen werden, da die erwähnte Schaufelform bei Turbinen als Gleichdruckprofil wohl bekannt und gebräuchlich ist, beim Verdichter aber im allgemeinen vermieden wird, jedoch aus Gründen, die hier - wie später gezeigt wird - entfallen. Für die prozentuale Größe der Strömungsverluste in den gleichläufigen Schaufelreihen bezogen auf die mit diesen Schaufelreihen erzeugte oder verarbeitete Gesamtenergie, bestehend aus der Summe von Druck- und Geschwindigkeitshöhe, gilt mit der Bedeutung der einzelnen Bezeichnungen wie oben, Um eine Vorstellung zu geben, wie klein mit den geschilderten Maßnahmen werden kann, wird mit den Abbildungen 1, 21, 22, 23 und 24 ein Zahlenspiel angeführt. Dem Zahlenspiel liegen vier gleichläufige Schaufelreihen mit verschiedenen Drehzahlen, aber gleichgerichteten Dreh-

  momenten zugrunden Abbildung 1-zeigt im Längsschnitt ein

  Beispiel für eine Anordnung dieserv&@g- 29 3 und 4 bezeichneten

  Schaufelreihen, die von Scheiben oder Ringen in Wellen übergehend und mit diesen um die Achse 0-0 rotierende gehalten werden. Die Abbildungen 21, 22f 23 und 24 zeigen hierzu Gesehwindigkeitsdreieckeo Die Indizes hierbei. geben die Zugehörigkeit der einzelnen Geschwindigkeitsdreiecke zu den in Abbildung 1 mit den gleichen Zahlen gekennzeichneten Schaufelreihen an, _ Die Umlenkwinkel und Relativgeschwindigkeiten sind für sämtliche Schaufelreihen gleich groß gehalten. Dies ist nicht notwendig, erleichtert aber im vorliegenden Falle den Überblick und die zahlenmäßige Erfassung des Strömungsverlustes nach obiger Gleichung. Dem Beispiel ist ein Verdichter zugrundegelegt entsprechend der Strömung von innen nach außenp Bei einer Strömung von außen nach innen hätten diese Geschwindigkeitsdreiecke auch für eine Turbine Gültigkeit. Die vier Geschwindigkeitsdreiecke zeigen die stufen-

  weise Erhöhung der _Absolutgeschwindigkeitenvon C,,7 über

  auf xDie eingeschriebenen Zahlen bedeuten

  Geschwindigkeiten, wobei, da es für die Bestimmung von

  nicht auf deren tatsächliche sondern nur auf ihre

  verhältnismäßige Größe zueinander ankommt, die Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser der äußeren Schaufelreihe gleich 100 gesetzt ist, Der Umlenkwinkel beträgt für alle Schaufelreihen 60 o. Für die Größe der Verlustzahlen ist außer der Reynoldschen Kennziffer der Umlenkwinkel und die Machzahl für die Relativgeschwindigkeit w in den einzelnen Schaufelreihen maßgebend. Diese Machzahl ist in jedem Falle viel kleiner als 1, selbst bei weit über 1 liegender Machzahl für was wegen der Erzeugung oder Verarbeitung einer großen Gesamtdruckhöhe in einem Verdichter oder in einer Turbine anzustreben ist. Dies ist wichtig, da für relative Anströmges chwindigkeiten, einer Schaufelreihe mit M > o,8 mit erhöhten Verlusten zu rechnen ist. Auch die Randverluste, die mitbestimmen, werden im vorliegenden Falle klein. Unter Randverlust wird der Strömungsverlust verstanden, der an den beiden Schaufelenden durch die nach Richtung und Größe auf Grund der Reibung an den seitlichen Wänden in der vorhergehenden Schaufelreihe geänderten Anströmgeschwindigkeit entsteht. lm vorliegenden Falle ist diese Änderung gering, da die absolute Anströmgeschwindigkeit einer Schaufelreihe von einem vorgeschalteten in gleicher Richtung umlaufenden und nicht von einem feststehenden System, wie üblich erzeugt wird, wobei. diese absolute-Anetrömgeschwindigkeit nicht allzuviel größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit des diese Anströmgeschwindigkeit erzeugenden Systems.
• Ist die Randverlustzahl für eine Schaufelreihe mit vorgeschaltetem feststehendem System, so kann für die Randverlustzahl der gleichen Schaufelreihe mit vorgeschaltetem gleichläufigen System etwa gesetzt werden: Wenn der Unterschied der Umfangsgeschwindigkeiten der einander zugekehrten Seiten zweier benachbarter gleichläufiger Schaufelreihen und u die Umfangsgeschwindigkeit der angeströmten Schaufelreihe ist. Bei dem vorliegenden Beispiel ergibt sich dann z. B. für die äußere Schaufelreihe Unter Berücksichtigung dieser Verhältnisse braucht im vorliegenden Falle höchstens gleich 0,06 gesetzt werden. Dann wird nach obiger Gleichung, wie eine leichte Nachrechnung zeigt: Bei solch kleinen Verlusten hat die Verlustzahl nur noch einen sehr abgeschwächten Einfluß auf den Wirkungsgrad des Verdichters oder der Turbine. Dies ist allgemein von Bedeutung, besonders aber bei von der Auslegung abweichenden-Strömungsverhältnissen.
• Mit den Abbildungen 31, 3, und 33 ist nach ein weiteres Beispiel für die Geschwindigkeitsverhältnisse bei gleichläufigen Schaufelreihen dargestellt. Hierbei handelt es sich aber nur um zwei gleichläufige Systeme mit der Besonderheit, daß die beiden inneren Schaufelreihen, entsprechend den Geschwindigkeitsdreiecken nach den Abbildungen 31 und 32 und z. B. den Schaufelreihen 10 und 9 des Ausführungsbeispieles nach Abbildung 9 mit gleicher Drehzahl umlaufeng also zum gleichen System gehören. Die in den Abbildungen 31, 32 und 33 eingeschriebenen Zahlen entsprechen wieder Geschwindigkeiten im weiter oben erwähnten Sinne. Mit = 0,04, 0,049 0,09 und 0,09 für die Ansaugedüse bzw. für die 1., 2. und 3. Schaufelreihe ergibt sich ein wie oben definierter Strömungsverlust von 11 %ä Die Geschwindigkeitshöhe des Arbeitsmittels am äußeren Umfang der äußeren gleichläufigen Schaufelreihe wird im wesentlichen in einem an diese Schaufelreihe nach außen anschließenden Ringhohlraum auf Grund des in diesem gültigen Strömungsgesetzes = konst. (mit =Umfangskomponente der Strömung im Abstand r von der Drehachse) in Druckhöhe umgewandelt (Verdichter) oder aus solcher erzeugt (Turbine). Die Einschränkung " im wesentlichen " berücksichtigt, daß wegen eines konstruktiv einzuhaltenden Verhältnisses Außenradius, = Innenradius des Ringhohlraumes) die bei vorhandene Geschwindigkeitshöhe auf andere Weise wie zo B. durch Diffusoren (Verdichter) oder durch Düsen (Turbine) in Druckhöhe umwandelt bzw. aus solcher erzeugt werden muß. Würde - wie üblich - dieser Ringhohlraum von Wänden gebildet, die zum Gehäuse des Verdichters oder der Turbine gehören, so würde die Umwandlung von Geschwindigkeitshöhe in Druckhöhe oder umgekehrt - insbesondere bei kleinen Ab- bzw. Zuströmwinkeln des Arbeitsmittels von-bzwo zu der äußeren gleichläufigen Schaufelreihe - wegen des langen Strömungsweges des Arbeitsmittels zwischen dem Ein- und Austrittsdurchmesser des Ringhohlraumes mit erheblichen Strömungsverlusten verbunden sein, die sich in Verbindung mit einem Laufrad mit vorwärts gekrümmten Schaufeln, wie sie im vorliegenden Falle der äußeren gleichläufigen Schaufelreihe eines Verdichters entsprechen' auf Grund der dann nur geringen Reaktion besonders stark auf den_ Wirkungsgrad des Verdichters auswirken würden. Dies ist der Grund, weshalb im Verdichterbau - wie bereits weiter oben erwähnt - die Kombination eines Laufrades der vorliegenden Art und eines, anschließenden Ringhohlraumes vermieden wird.

  -Bedeia.tung bekommt der Ringhohlraum im vorliegenden Zu-

  6t: s L`

  sammenhang - abe in Richtung der Verminderung von Strö-

  mungsverlusten - erst, wenn die Wände des Ringhohlraumes im Sinne des Dralls der Strömung rotieren. Die Wirkung dieser Maßnahme - in der angestrebten Richtung - wird beträchtlich gesteigert, wenn die rotierenden Wände des Ringhohlraumes in mehrere konzentrische Ringelemente aufgeteilt sind, die mit derart gestaffelter Drehzahl umlaufen, daß das innerste Ringelement die höchste und das äußerste die niedrigste Drehzahl aufweist. Ein Minimum an Strömungsverlusten in einem solchen Ringhohlraum wird erzielt, wenn die Drehzahl jedes Ringelementes so gewählt wird, daß seine mittlere Umfangsgeschwindigkeit möglichst der mittleren Umfangskomponente der Strömung in seinem Bereich entspricht. Die Abbildungen 4f 59 6 und 7 geben beispielsweise in nach den vorhergehenden Ausführungen gestalteten Ringräumen mögliche Verhältnisse für die Strömung wieder und zwar die Abbildungen 4, 5 und 6 hinsichtlich der Geschwindigkeiten, die Abbildung 7 hinsichtlich der Wegelängen.
• In den Abbildungen. 4, 5 und 6 sind vergleichshalber die absoluten als auch die relativen Geschwindigkeiten und in Abbildung 7 die absoluten Wege als auch die Wege des Arbeitsmittels relativ zu den umlaufenden Wänden eingezeichnet. Die genannten Darstellungen gelten sowohl für von innen nach außen als auch von außen nach innen, also sowohl für Verdichtung als auch für Entspannung des Arbeitsmittels. Für die weiteren Ausführungen zu den Abbildungen 4 bis 7 so11 Strömungen von innen nach außen, also Verdichtung, zugrundegelegt werden, In den Abbildungen 6 und 7 erstreckt sich der Ringraum zwischen den beiden Radien @',; und 74o Die entsprechenden Ringraumwände sind in 3 Ringelemente 1" 2 und 3 unter-

  teilt. Das Arbeitsmittel strömt (Abb, 6) bei #' mit

  der absoluten Geschwindigkeit r#4 der die absolute:.

  Ge,§chwindigkeitskomponenten ,C@ j-@f in Umfangs@@ic---tang

  und.n meridionaler Richtung entsprechen, roden Ring-

  hohlraum ein. Der Verlauf der Umfangskomponente der absoluten Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels ist durch den Abstand der Linie A von der r-Ache, der der Meridiankomponente durch den vertikalen Abstand der Linie B von der Linie A gegeben. Der Verlauf der Umfangskomponente entspricht dabei dem Gesetze = konst. der der Meridiankomponente der Kontinuitätsgleichung = konst. ( b = axiale Ringraumweite, =spezifisches Gewicht des Arbeitsmittels). Die geraden Strecken C, D und E, deren Verlängerungen durch den Schnittpunkt der r- mit der Drehachse 0 - 0 gehen, entsprechen mit ihrem Abstand von der r-Achse dem Verlauf der Umfangsgeschwindigkeit der 3 Ringelemente 1, 2 und 3. Se kann für jeden Radius r sowohl die zugehörige absolute als auch relative Gesehwindigkeit, also und w, dargestellt werden. Diese Geschwindigkeiten sind für einige ausgezeichnete Punkte eingetragen und zwar für die Innen- und Außenradien so wie für die Radien eines Ringelementes, für welche die Umfangskomponenten der Relativgeschwindigkeiten zu Null werden. In Abbildung 7 ist zunächst der absolute Weg S eines Teilchens des Arbeitsmittels vom Ein- und bis zum Austritt des Ringraumes gezeichnet, wie er sich aus den absoluten Geschwindigkeiten der Abbildung 6 ergibt. Ferner sind noch die relativen Wegelängen S1, S2 und S3 eines Arbeitsmittelteilchens für jedes umlaufende Wandringelement dargestellt. Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die großen Unterschiede zwischen den absoluten und relativen Werten für die Geschwindigkeiten und Wegelängen des Arbeitsmittels im Ringhohlraum und lassen schon den entscheidenden Einflu8 umlaufender unterteilter Wände für den Ringhohlraum nach den vorhergehenden Ausführungen auf die Strömungsverluste erkennend hür das Beispiel nach Abbildung 6 und 7 soll der Strömungsverlust im Ringhohlraum größenordnungsmäßig bestimmt werden. Der Strömungsverlust für ein Ringhohlraumelement mit der radialen Höhe mit dem Wandabstand b und der Relativgeschwindigkeit w der Strömung zu ihren Führungswänden unter dem Winkel zur Umfangsrichtung sowie mit der Wandreibungsziffer ergibt sich aus der Beziehung: Der im gesamten Ringhohlraum anfallende prozentuale Strömungsverlust bezogen auf die verarbeitete oder erzeugte Gesamtdruckhöhe wird dann:

  ct@r

  Nach Abbildung 6 ist in den g Teil-Rnghohlräumen 1y 2

  und 3 der Verlauf der Relativgeschwindigkeiten nach Größe und Richtung nicht allzu viel verschieden voneinander.
• Es genügt deshalb im vorliegenden Fal1, wenn man für jeden Teilringhohlraum 1at 1b, 2a, 2b, 3a, 3b Mittelwerte, aus diesen für den gesamten Ringhohlraum Mittelwerte für und w zugrundelegt. Auch für und b soll für den ganzen Ringhohlraum mit hierfür infragekommenden Mittelwerten gerechnet werden,-Dann wird: und mit Für einen Ringhohlraum für zwei umlaufende Systeme entsprechend etwa den Ausführungsbeispielen nach den Abbildungen 9 und 10 und entsprechend den Geschwindigkeitsverhältnissen nach den Abbildungen 31 bis 33 für die gleichläufigen Schaufelreihen und nach Abbildung 4 für den Ringhohlraum ergibt sich zu 0,07 %. Die Darstellung der Geschwindigkeitsverhältnisse für den Ringhohlraum in Abbildung 4 entspricht den in Abbildung 6.

  In dieser Abbildung ¢ sind ri und ra der innen- bzwm . . J .

  Außenradius des Ringhohlraumes Der Abstand der Gßreden"

  A, C und D von der r-Achse zeigen ebenso den Verlauf der Umfangskomponente der absoluten Strömungsgeschwindigkeit entsprechend , r = konst. bzw. den Verlauf der Umfangsgesohwindigkeiten der in zwei konzentrisohe Ringe 1 und 2 unterteilten umlaufenden Wände des Ringhohlraumes. Der senkrechte Abstand zwischen A und B entspricht wieder der meridionalen Komponente der jeweiligen Absolut- oder Relativgeschwindigkeit der Gegenüber der dreifachen Unterteilung der umlaufenden

  Wände des Ringhohlraumes-ergibt die nur zweifache zwar

  e

  fast den doppelten Strömungsverlust; er ist aber"so klein,

  daß dieser Umstand auf den Gesamtwirkungsgrad einer gleichlaufenden Strömungsmaschine keinen nennenswerten Einßluß ausübt. Die rotierenden Wände des Ringhohlraumes werden von Ringkörpern gebildet, die einerseits verschiedene Außendurchmesser haben und andererseits so weit nach innen gezogen sind, daß jeder dieser Ringkörper mit einer der gleichläufigen Schaufelreihen verbunden werden kann. Dabei wird der Ringkörper mit dem kleinsten Außendurchmesser mit der äußersten gleichläufigen Schaufelreihe und der Ringkörper mit dem größten Außendurchmesser mit der innersten gleichläufigen Schaufelreihe verbunden. Die Verbindung der Ringkörper dazwischenliegender Außendurchmesser erfolgt sinngemäß mit Schaufelreihen, die zwischen der äußersten und innersten gleichläufigen Schaufelreihe liegen. In Abbildung 8 ist dies schematisch dargestellt, 0-0 ist die gemeinsame Drehachse von 3 gleichläufigen Schaufelreihen 1, 2 und 3. Es ist Symmetrie zur Mittelebene B-B, also Doppelfluß angenommen, Die Ringkörper 1a, 2a und 3a sind mit den Schaufelreihen 1, 2 und 3 verbunden, haben gestaffelte Außendurchmesser und bilden-so die rotierenden Wände für den Ringhohlraum 5, Die Verbindung der auf beiden Seiten des Ringhohlraumes umlaufenden Ringkörper erfolgt durch Stege, die möglichst wenig Verluste verursachen solleng Die Stegprofile werden deshalb entsprechend der vorhandenen oder beabsichtigten Strömung im Ringhohlraum gestaltete Sie können wirkungslos geformt sein; d. h.: auch im Bereich der Stege bleibt das Gesetz r konst, erhalten. Sie können aber auch so geformt sein, daß der Stegkranz - ein Schaufelgitter bildend - den Drall ändert, daß also r für den Ein- und Austrittsdurchmesser des Stegkranzes verschieden groß ist. Im letzteren Fall soll - in Richtung der Durchströmung des Ringhohlraumes gesehen - durch den Stegkranz bei einer Turbine der Drall vergrößert, bei einem Verdichter verkleinert werden. Geht man von zwei Maschinen aus, deren gleichläufige Schaufelsysteme und Ringhohlräume gleich sind, die sich aber dadurch unterscheiden, daß bei der einen Maschine die Stege wirkungslos profiliert sind, bei d er anderen so, daß eine Dralländerung im oben beschriebenen Sinne bewirkt wird, so bedeutet dies, daß im zweiten Fall die gesamte zuverarbeitende (Turbine) oder zuerzeugende (Verdichter) Druckhöhe kleiner ist als im ersten Fall, wobei der Unterschied dieser Druckhöhe im wesentlichen im Düsenkränz (Turbine) bzw. Diffussorkranz (Verdichter) anfällt. (Siehe Abbildung 9, Teile 36 bzw. 35.) Dieser Umstand wird von Bedeutung, wenn die Energieumwandlung in den zuletzt genannten Teilen der Maschine wesentlich schlechter ist als in ihren übrigen Teileng Hiermit ist beim Verdichter zu rechnen. In solchen Fällen kann also der Wirkungsgrad eines Verdichters der vorliegenden Bauart durch Drallverminderung mittels des Stegkranzes im Ringhohlraum verbessert werden. Von Bedeutung ist diese Drallverminderung auch dann, wenn sich am äußeren Umfang des Ringhohlraumes, also am Eintritt in den Diffusorkranz, eine absolute Geschwindigkeit mit unerwünscht hoher Machzahl ergeben würde. Die Verbindungsstege sind im allgemeinen hohen Eigenflieh-

  kräften ausgesetzt. Aus diesem Grunde werden die Stege auf

  den Radius im Ringhohlraum gesetzt' bei dem sich ein ström-

  technisch technisch gutes Stegprofil mit Hauptträgheitsachsen ergibt, von denen die eine Achse in radialer Richtung liegt Solche Profile sind festigkeitstechnisch am günstigsteng da bei ihnen die sogenannte schiefe Belastung gleich Null wird. Eine schiefe Belastung würde eine Fliehkraftkomponente in Richtung des minimalen Trägheitsmomentes ergeben, als eventuell einen sehr ungünstigen Belastungsfall darstellen.
• In Abbildung 5 sind beispielsweise Geschwindigkeitsverhältnisse in einem Ringhohlraum der vorher beschriebenen Art mit Verbindungsstegen, die eine Dralländerung bewirken, dargestellt. Die Art der Darstellung entspricht der in den Abbildungen 4 und 6. Dasselbe gilt für die Bezeichnungen. Die beiderseits des Ringhohlraumes umlaufenden Wände sind wiederum in die beiden Ringelemente 1 und 2 aufgeteilt. Die Wandringelemente 1 werden von einem radial nach außen verlängerten Deckring der äußersten gleichläufigen Schaufelreihe oder von einer Verlängerung der diese Schaufelreihe

  tragenden Scheibe gebildet (Abbildung 9' Teile Z6 7, 2i

  und 31). Die beiderseitigen-Wandringelemente 2renä durch

  einen Stegkranz, der sich zwischen den Radien und erstreckt, verbunden (Abbildungen 9 und 10' Teil 34). Zwecks Vergleich der Geschwindigkeitsverhältnisse bei Stegen ohne und mit Dralländerung der Strömung sind in Abbildung 5 die Geschwindigkeitsverläufe und -Dreiecke für beide Fälle dargestellt. Die Kurve zwischen a und b zeigt den Verlauf der - Komponente bis . Sie gilt für beide Fälle. Die Verlängerung dieser Kurve bis c würde gelten, wenn die Stege wirkungslos profiliert wären. Bei Stegprofilen mit Dralländerung gilt für den Verlauf der - Komponente>, die Kurve zwischen d und e' also zwisohen und . Die Ein- und Austrittsdreiecke für den Steg- kram sind durch Schraffur gekennzeichnet. Bei erkennt' man die sich ergebenden Geschwindigkeitsdreiecke bei wirkungslosen und dralländerunden Stegprofilen. Die absolute Austrittsgeschwindigkeit wird durch die Stege von auf verringert. Im vorliegenden Beispiel bedeutet dies eine Verringerung der Geschwindigkeitshöhe bei auf die Hälfte. Bei einem Umsatz dieser halbierten Gesehwindigkeitshöhe in Diffusoren in Druckhöhe ist dies für den Gesamtwirkungsgrad des Verdichters, wie bereits oben ausgeführte von Bedeutung. Die bereits wiederholt angeführten Abbildungen 9 und 10 sollen im folgenden näher erläutert werden: Abbildung 9 stellt ein Ausführungsbeispiel für einen Treibgaserzeuger einer Gasturbinenanlage und Abbildung 10 ein solches für die dazugehörige NutzleiEtungsturbine dar. In beiden Fällen handelt es sich um Gleichlauf-Strömungsmaschinen mit nur zwei gleichläufigen Systemen. In diesem Fall kann man einfach von einem Innenrad und von einem Hüllrad sprechen. Die Drehzahl des Hüllrades beträgt etwa die Hälfte der des Innenrades. Bei dem Treibgaserzeuger nach Abbildung 9 wird die Luft auf der linken Seite bei A angesaugt. Das erzeugte Treibgas strömt auf der rechten Seite bei B ab. Die linke Seite der Maschine stellt also den Verdichter, die rechte Seite die Antriebsturbine für diesen Verdichter dar. Das Innenrad für diesen Treibgaserzeuger besteht aus zwei wärmebeweglich bei 1 verbundenen Scheiben 2 und 3, die auf ihrem Umfang die Schaufelreihen 4 und 5 tragene 6 und 7 sind Deckringe zu diesen beiden Schaufelreihen: die wie die Scheiben 2 und 3 radial nach außen verlängert sind und so die inneren umlaufenden Wandringelemente für den Ringhohlraum bilden. Dieses Innenrad ist mittels der Welle 8, die mit der Scheibe 2 ein Stück bildete fliegend gelagert. Der Schaufelreihe 4 (Verdichter) sind die gleichläufigen Sohaufelreihen 9 und 10, die entsprechend den Geschwindigkeitsdreieeken der Abbildungen 31 und 32 mit gleicher Drehzahl umlaufen und zum Hüllrad gehöreng vorgeschaltet. Der Schaufelreihe 5 sind die Schaufelreihen 11 und 12 -ebenfalls mit gleicher Drehzahl umlaufend und zum Hüllenrad gehörend - nachgeschaltet. Die Schaufelreihen 9 und 10 werden innen durch den Ringkörper 13 gehalten. Dieser Ringkörper 13 ist durch den elastischen Ring 14 mit der Hohlwelle 15 verbunden. Die Hohlwelle 15 bildet einerseits eine umlaufende Lagerung für die Welle 8 mittels der Lagerstellen 16, 17 und 18 und ist andererseits und damit das gesamte Hüllrad - bei 19 und 20 im Gehäuse 21 gelagert. 22 ist der gemeinsame Deckring für die Schaufelreihen und 10. Dieser Deckring 22 ist in axialer Richtung zur Einströmseite hin verlängert und über diese Verlängerung bei 23 mit dem Ringkörper 24 elastisch verbunden. Auf der Turbinenseite sind die Schaufelreihen 11 und 12 mit dem inneren Ringkörper 25 und mit dem Deckring 26 verbunden, der wiederum elastisch bei 27 mit dem Ringkörper 28 verbunden ist. Die beiden Ringkörper 24 und 28 werden bei 29 und 30 durch Bolzen mit dem aus den Teilen 31, 32, 33 und 34 bestehenden umlaufenden Körper lösbar verbunden. 31 und 32 bzw. 32 und 33 bilden die umlaufenden Wände für den äußeren Teil der Ringhohlräume für den Verdichter und seiner Antriebsturbine. 34 sind die Verbindungsstege für die Ringscheiben 31, 32 und 33. ,Auf der Verdiohterseite sohließt eich an den Ringhohlraum bei 35 naoh außen ein Kranz von Diißu®oren an. Auf der Turbinenseite ist dem Ringhohlraum bei 36 ein Düsenkranz vorgeschaltet. Diese Diffusoren und Düsen sind nicht dargestellt. Zwischen Diffusoren-Austritt und Düsen-Eintritt hat man sich in irgendeiner Form die Brennerkammer zu denken. Die Abbildung 9 könnte grundsätzlich auch für einen 2-flutigen Verdichter oder für eine 2-flutige Turbine gelten. Die Scheibe 32 wäre dann natürlich nicht notwendig Die Abbildung 10 zeigt die Nutzleistungsturbine in 2-flutiger Ausführung, wobei nur ein Viertel ihres Längsschnittes dargestellt ist. Die Pfeile kennzeichnen die Strömungsrichtung. Das Innenrad besteht hier nur aus einer Scheibe 36 mit auf beiden Seiten angeordneten Laufsohaufeln 37, Der Ringhohlraum 38 hat jetzt keine mittlere Trennscheibe, Sonst sind Innenrad und Hüllrad aufgebaut wie beim Treibgaserzeuger. Die Lagerung des Innen- und des Hüllenrades erfolgt hierauf beiden Seiten des Turbinengehäuses, die Leistungsabgabe durch die beiden Hülsenkupplungen 39 und 40 und zwar vom Innenrad durch die Hülse 399 vom Hüllrad durch die Hülse 40, Die Leistungen vereinigen sich z, B, in einem entsprechend gebauten Getriebe.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1.) Gleichlauf-Strömungsmaschine als Pumpe, Verdichter oder Turbine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stufe und zwar vorzugsweise eine radial beaufschlagte mindestens zwei Systeme mit gleichgerichteten Drehmomenten und gleicher Drehrichtung jedoch mit verschiedenen Drehzahlen aufweist. 2.) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer radial von außen nach innen (Turbine) oder von innen nach außen (Verdichtes) durchströmten Laufschaufelreihe, vorzugsweise mit am Austritt vor- bzw. rückwärts gekrümmten Schaufeln, ohne Zwischenschaltung feststehender Leitapparate eine, zwei oder mehrere Schaufelreihen möglichst mit gleicher Art der Profile vor- (Verdichter) bzw. nachgeschaltet (Turbine) sind, wobei alle diese Schaufelreihen im gleichen Sinne aber mit verschiedenen Drehzahlen umlaufen, derart, daß die äußerste Schaufelreihe die höchste, die innerste Schaufelreihe die niedrigste Drehzahl hat und die mittleren Schaufelreihen - sinngemäß gestuft -zwischen den beiden genannten Drehzahlen liegende Drehzahlen aufweisen. 3.) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitshöhe des Arbeitsmittels am äußeren Umfang der äußeren gleichläufigen Schaufelreihe im wesentlichen in einem an diese Schaufelreihe nach außen anschließenden Ringhohlraum, auf Grund des in einem solchen gültigen Strömungsgesetzes in Druckhöhe umgewandelt (Verdichter) oder aus solcher erzeugt (Turbine) wird, 4o) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeiehnet, daß die Wände des Ringhohlraumes im Sinne des Dralles der Strömung in diesem rotiereno 5.) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Ansprach 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Wände des Ringhohlraumes in mehrere konzentrisohe Ringelemengte aufgeteilt sind, die mit derart gestaffelter Drehzahl umlaufen, daß das innerste Ringelement dis höchste und das äußerste die niedrigste Drehzahl aufweist. 6.) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wand-Ringelement mit der Drehzahl umläuft, daß seine mittlere Umfangsgeachwindigkeit möglichst der Umfangskomponente der ' mittleren Geschwindigkeit der Strömung in seinem Bereich entspricht. 7o) Gleiohlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierenden Wand-Ringelemente des Ringhohlraumes von Ringkörpern gebildet werden, die einerseits verschiedene Außendurchmesser haben und andererseits so weit nach innen gezogen sind, daß jeder dieser Ringkörper mit einer der gleichläufigen Schaufelreihen verbunden ist und zwar der Ringkörper mit dem kleinsten Außendurchmesser mit der äußersten gleichläufigen Schaufelreihe, der Ringkörper mit dem größten Außendurchmesser mit der innersten gleichläufigen Schaufelreihe und jeder dazwischen liegende Ringkörper sinngemäß mit einer zwischen der äußersten und innersten liegenden gleichläufigen ßohaufelreihe, 8.) Gleichlauf-Strömungsmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der auf beiden Seiten des Ringhohlraumes umlaufenden Ringkörper durch Stege erfolgte deren Profile so gestaltet sinde, daß die Strömung im Ringhohlraum auch im Rereich dieser Stege erhalten bleibt. Gleichauf-Strömungsmaschine nach Ansprach l bis 7, dadurch gekennzechnet, daß der Stegkranz als Schaufelgitter den Drall im Ringhohlraum ändert und zwar derart, daß in Strömungsrichtun gesehen - bei einer Turbine der Drall vergrößert, bei einem Verdichter verkleinert wird