DE1949625A1

DE1949625A1 - Gasturbinenrad

Info

Publication number: DE1949625A1
Application number: DE19691949625
Authority: DE
Inventors: Swearingen Judson S
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-07-09
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1971-02-04
Also published as: NL6916394A; DE1949625C2; US3610775A; GB1283219A

Description

"Gasturbinenrad"

Die Erfindung befasst sich mit Turbinen, die mit Strömungsmitteln beaufschlagt werden, welche mitgerissene Teilchen enthalten, und betrifft insbesondere Energierückgewinnungsturbinen für staubenthaltende Gasströme. Des weiteren betrifft die Erfindung auch Turbinen, die durch Gas- oder Dampfströme angetrieben werden, von denen sich wenigstens ein Teil niederschlägt oder ausscheidet oder kondensiert und ausscheidet, und zwar als kleine FlUssigkeitsmenge oder in Form von Feststoffteilchen, Der Erfindungsgegenstand ist darüberhinaus gleicherweise bei Flüssigkeiten anwendbar, deren Temperatur und Druck so bemessen sind, dass sie während des Durchgangs durch die Turbine sieden oder die bereits am Eintritt Dampf- odex G** cinschlüsse aufweisen.

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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hcmsmann, Dipl.-Phys. Sebastian Htrrmann

Die meisten Turbinen sind axiale Strömungsturbinen, bestehend aus stationären Düsen in Verbindung mit einem Rotor, der eine iieihe Umfangsschaufeln aufweist. Die Düsen lenken einen expandierenden Strom in einer Tangential-Axialrichtung in den Rotor zwischen die Schaufeki, Die Rotorschaufeln verändern die Strömungsrichtung des durchgehenden Stromes und führen den Strom in Bezug auf die Tangentialrichtung der Rotorschaufeln im allgemeinen zurück. Dadurch wird eine Richtungsänderung in der Umfangsebene hervorgerufen, wenn der Strom die Rotorschaufeln passierte Diese Richtungsänderung (fangen— tial- oder Umfangsbeschleunigung) bewirkt, dass die Teilchen aus dem Strom heraus und gegen eine Strömungskanalwand geworfen werden, wodurch Schaufelbeschädigungen und ein Wirkungsgradverlust hervorgerufen werden»

Es gibt auch noch einen anderen Turbinentyp, der sich Radialoder "Einlauf"—Turbine nennt. Dieser Typ gleicht dem oben beschriebenen Typ mit Ausnahme der Tatsache, dass die Hauptdüsen den Strom in einer Achtung in die rotierenden Schaufeln lenken, die eine Radialkomponente aufweist. Gewöhnlich ist, falls überhaupt, nur eine kleine Axialkomponente in dieser Richtung vorhanden, so dass die Düsenströmung nur eine Tan— gential-Radial-Richtung aufweist. Die Rotorschaufeln besitzen üblicherweise räumlich gekrümmte Kanäle, mit denen sie die Strömung von der Richtung radial einwärts axial ablenken und gleichzeitig in Bezug auf den Rotor rückwärts-führen.

Bei Radial-Turbinen tritt dasselbe Problem mit supendierten Teilchen und Flüssigkeitströpfchen auf wie bei axialen Strömungsturbinen. Der zusätzliche Effekt, dass die Teilchen durch Zentrifugalwirkung radial nach aussen geschleudert werden, hat zur Folge, dass sich die Teilchen in dem Rotor ansammeln und dieses Problem noch komplizieren.

Bei versuchten Lösungen wurde am Aussenumfang des Rotors ein Abscheider angeordnet, in den die Flüssigkeits- oder F*st-

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stoffteilchen sich sammeln sollten und es wurde eine Bypassleitung rund um die Rotorschaufeln geführt, Dort, wo die Feststoffe nur in Spuren auftraten, sollten Taschen dafür sorgen, dass sie sich sammeln konnten und zurückgehalten wurden«

Eriindungsgemäss wird das oben erläuterte Problem nun dadurch gelöst, dass die Kräfte, die auf irgendein suspendiertes Teilchen einwirken, gesteuert und kombiniert werden, indem die Form des durch den Rotor führenden Kanals so festgelegt und ausgewählt wird, daas die wirksame Kraft, der das Teilchen unterliegt, im wesentlichen parallel zu den Kanalwänden gerichtet ist, so dass das Teilchen zwecks Sammluiiir nicht gegen irgendeine Wand geworfen wird oder Erosion oder irgendeine andere nachteilige Wirkung hervorruft. Ert'imiimgsgemäss wird aber auch in dem Hotorkanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit gearbeitet, die grosser ist als die relative Auftriebs-oder Gleitgeschwindigkeit der Teilehen, die von den auf die Teilchen einwirkenden dynamischen Kräften verursacht wird.

Die auf die in dem sich bewegenden Strömungsmittelstrom suspendierten Teilchen bei dessen Durchgang durch den Rotor einwirkende, kombinierte dynamische Kraft, setzt sich aus der Zentrifugalkraft, einer kleinen axialen Beschleunigungskraft und einer tangentialen Beschleunigungskraft zusammen. Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Turbinenrad zu schaffen, dessen, zwischen den Schaufeln durchgehende Strömutigskanttle so geformt sind, dass die wirksamen Kräfte auf ein in dem durchlaufenden Strom suspendiertes Teilchen eine Resultierende besitzen, die im wesentlichen parallel zu den Kanalwänden liegt, wobei eine vorherrschende resultierende Kraft auf die Teilchen in einer Richtung zum Austritte- oder Austragsende des Kanals hin einwirkt.

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Zusammenfassend betrifft also die Erfindung ein Turbinenrad oder einen Turbinenrotor, der mit Gasströmen beaufschlagbar ist, die mitgerissene FlUssigkeitsteilohen oder Feststoffteilchen enthalten, der aber auch mit Fltissigkeitsströmen beaufschlagbar ist, in denen sich Blasen befinden, wie dies beispielsweise bei der Energiezurückgewinnung aus staubhaltigen Gasen oder siedenden Flüssigkeiten der Fall ist. Die Kanäle zwischen den Schaufeln des Rotors sind dabei so geformt, dass, sobald die Strömung sich in radialer Richtung nach innen vorwärtsbewegt, und ihre Umfangsbewegung mit dem Rotor gebremst wird, und deshalb die auf solche Teilchen einwirkende Zentrifugalkraft kleiner wird, zunächst eine radiale und kleine, negative, relative Tangentialkomponente der Strömung vorhanden ist und die radial nach innen gerichtete Geschwindigkeitskomponente der Strömung demzufolge die auf derartige Teilchen einwirkende Zugkraft, die der Zentrifugalkraft entgegengerichtet ist, sich entsprechend verringert, um im wesentlichen ein Gleichgewicht der auf diese Teilchen wirkenden Radialkräfte aufrechtzuerhalten. Auch sind die Kanäle so gekrümmt, dass sie die Umfangs-Axial-Strömungsgeschwindigkeitskomponente im wesentlichen parallel ausrichten, wenn die Verkleinerung der ralialen Strömungsge— schwindigkeitskomponente durch eine Vergrösserung der Umfangsströmungsgeschwi-ndigkeitskomponente oder TangentialStrömungsgeschwindigkeitskomponente bezüglich des Rotors ersetzt wird, während die Axialströmungsgeschwindigkeitskomponente aufrechterhalten wird oder auf einen Wert gesteigert wird, mit dem die Strömung durch die axiale Länge derartiger Kanäle in einer Zeit getrieben werden kann, die für die Umfangsströmungs-

geschwindigkeitskomponete bezüglich des Rotors erforderlich ist, um die Umfangsgeschwindigkeit der Austrittsströme dieser Kanäle im wesentlichen einander anzugleichen und ihr entgegenzuwirken. Dadurch wird die auf diese Teilcher^inwirkende Kraft, die sie veranlasst, gegen die Schaufeln zu schlagen, auf ein Mindestmass herabgesetzt. Die Begriffe "tangential" und "umgangs" haben hier die gleiche Bedeutung.

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AusfUIirungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, scheniatisch dargestellte In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht entlang einer Radialebene der Düsen einer Radialturbine und eines erfindungsgemäss gebauten Rotors oder Laufrads, wobei die Gasströmung in einer solchen Radialebene sichtbar gemacht ist;

Fig_o 2 eine ähnliche, ziemlich unvollständige Ansicht derselben Konstruktion, längs einer Ebene, die im wesentlichen rechtwinklig zu der von Figo 1 liegt, mit einer verlängerten Düsenform;

Fig. 3 eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten in einer Ebene, die mit der Schnittebene von Fig.l vergleichbar ist;

Fig. k eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten in einer Ebene, die rechtwinklig zu der in Fig. 3 gezeigten liegt und sich in Bezug auf die Drehachse der Turbine radial erstreckt;

Fig,4A eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten, gesehen von aussen in Richtung auf die Turbinenachse in einer radial abgewickelten Ansicht;

Fig. 5 eine Teilansicht, die dem oberen Abschnitt von Fig. 2 ähnlich ist, jedoch eine etwas abgeänderte Ausführung der im Idealfall bevorzugten Laufradform von Fig. 2 zeigt, so dass eine etwas der Praxis nähere AusfUhrungsform entsteht;

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Fig. 6 eine Seitenansicht eines Radia 1—AxiaIstrom turbinen— laufrads, geraäss dem Erfindungsvorschlag, wobei die am Umfang angeordneten Eintrittsöffnungen für das zu expandierende Gas sichtbar sind;

Fig. 7 eine Teilstirnansicht des iurbinenlaufrads von Fig. 6, wobei Teile zur Verdeutlichung der Formgebung, Anordnung und Lage der Schaufeln, die die durch das Laufrad führenden Kanäle bilden, wegge— brochen sind;

Fig. S eine der Fig₀ 7 ähnliche Ansicht einer anderen Ausfiihrungsform des Rotors für eine im wesentlichen vollständig radiale Strömung;

Fig.9A eine schematische Axialansieht eines Rotorteiis der in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Ausführungsforra, und zwar mit einer geringfügigen Abänderung, die eine Projektion eines Kanals zwischen zwei Schaufeln auf eine Ebene, senkrecht zu seiner Achse zeigt;

Figo9B eine abgewickelte Radialansicht der Bahnen von Teilchen, die sich durch das Laufrad entlang der Pfade A-B und C-D von Figur 9A bewegen;

Fig.9C eine Seitenansicht mit der Projektion solcher Kanäle auf eine Radial-Axialebene;

Fig.10 die Projektion zweier extremer Verläufe des absoluten Weges in einer Querebene (Axialansicht), der von einem Element bei seinem Durchgang durch das Laufrad längs der Wege A-B und C-D eingeschlagen wird, wobei Kraftvektordiagramme bei representativen Zeitintervallen die Kraftkomponenten und resultierenden Kräfte zeigen, die auf solche Elemente in den entsprechenden Intervallen einwirken; und

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Figc Ii eine der Fig. 9C ähnliche Ansicht einer anderen AusfUhrungeform des Strömungskanals.

Erfindungsgeväss sind die Schaufeln, die die durch das Turbinenlaufrad führenden Kanäle bilden, so angeordnet und geformt, dass sie neben den Hotordurchgangseintrittsöffnungen eine gerichtete Eintrittsgeschwindigkeit erzeugen, die sioh von der Tangentialgeschwindigkeit des Rotors unterscheidet. Eine solche Eintrittsgeschwindigkeit und -richtung durch den Hotorkaual wird so gesteuert und geändert, dass die Beschleunigung der suspendierten Teilchen quer zu der Stromlinie vernachlässigt werden kann. Dies lässt sich am besten verstehen, wenn van des schrittweisen Pfad folgt, wie er in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, sowie der Formgebung der Laufradabdeckung. Diese schaffen den gewünschten Durchgangsquerschnitt und damit die Gasgeschwindigkeit durch die Kanäle, so dass die Wände oder die die Schaufeln bildenden Wäitb dieser Kanäle sich so anordnen lassen, dass sie den Anforderungen genügen.

Wie aus den Figuren 1 und 2 im einzelnen ersichtlich ist, tritt das Gas aus einer Hochdruckzone 1 in eine Düse 2 ein, die bezüglich der rotierenden Turbine feststeht. In dem Hals 3 der Düse 2 wird das Gas auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Der überwiegende Anteil dieser Beschleunigung erfolgt in einer Tangentialrichtung, jedoch liegt eine Geschwindigkeitskoaponente in der radialen Richtung, wie dies in .Fig. 1 gezeigt ist. Die Hälse solcher Düsen lassen sich durch Verlängerung der anstromseitigen Enden der DUsenschaufeln strecken und davit aus der gewöhnlichen Länge, wie sie bei 2A in Fig. 2 dargestellt ist, in die durch ausgezogene Linien gekennzeichnete Länge überführen. Dadurch wird eine« Mitgerissenen Teilchen mehr Zeit zur Verfügung gestellt, uv es auf die hohe Geschwindigkeit des in der Düse befindlichen Gases zu beschleunigen« Dies ist besonders dann erwünscht, wenn die Teilchen verhältnismässig gross bevessen sind.

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Erf indungsgeinäss soll die zeichnerische Summe der Geschwin— digkeitskoinponenten in der Radial-Axialebene im Idealiall den durch den Rotor führenden Pfeilen k (Fig. l) folgen, wobei sie, wenn diese Bedingung erfüllt ist, im wesentlichen eine Drehung um 90 ausführt, woraufhin sie das Turbinenrad in axialer Richtung, wie durch den Pfeil 5 angedeutet, mit im wesentlichen keiner oder nur kleinen Hadiallcoinporiente verlässt. Wenn dies der Pail ist, werden die in der Strömungsmi ttelströmung mitgerissenen Teilchen dem Ive/r der Pfeile folgen und eine vernachlässigbar geringe Tendenz haben, in Richtung auf die Kanalwand abzutreiben oder abzutriften und auf die Vrand auf zutre f f en.

In Bezuit auf das Vektordiagramm der auf ein suspendiertos Teilchen in der Radial—Axialebene einwirkenden Kräfte, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, soll angenommen werden, dass der Pfeil AiA die Anfangsgeschwindigkeit des Gases und der von dem Gasstrom mitgerissenen, in den Rotor eintretenden Teilchen darstellt, und dass diese Geschwindigkeit eine kleine Axialkomponente 4C in Richtung auf den Austritt aufweist. In diesem Diagramm kann der Pfeil 4A als ein Vektor beLrachtet werden, der die starke Zugkraft des Gasstromes in Richtung auf die Hauptströraung darstellt, in der ein Teilchen suspendiert ist, dessen Bewegung beobachtet werden soll, wobei die Kraft von dem Teilchenschlupf relativ zum Gas abhängt. Sie ist proportional zur Schlupfgeschwindigkei t oder —srrösse, da das Teilchen bestrebt ist, dem Entlangstreichen V/iderstand entgegenzusetzen-, Ausserdem ist eine relativ trosse Kraft kB in einer Radialrichtung vorhanden, und zwar aufgrund der Zentrifugalkraft, deren Ursprung sich anhand von Fig„ 2 leichter erklären lässt. Die Vektorsumme der Kräfte hA und hil ist die Kraft 4C, die das Teilchen in Axialrichtung beschleunigt und seine wirksame Geschwindigkeit von der bei 4A in die bei hB herrschende Geschwindigkeit verändert, wenn sich die Strömung dahinbewegt.

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Die durch den Pfeil ^D dargestellte Geschwindigkeit weist eine ttichtung auf, die stärker axial ist als die des Pfeiles 4A, so dass eine grössere Axialkomponente der Kraft kC* auftritt als die, die durch den Pfeil 4C dargestellt wird, wobei die Axialkomponente 4C¹ gewöhnlich grosser als erforderlich oder erwlinsoht ist, um die verlangte Beschleunigung in der Axialrichtung herbeizuführen. In ähnlicher Weise ist der Pfeil 4E der Axialriehtung mehr angenähert als der Pfeil 4D und ergibt deshalb im Vergleich zu der von 4D eine grössere Axialkomponente kGⁿ _Q Um diese Axialkraft auf einen gewünschten Wert zu verringern und zu steuern, auf einen Wert, der annähernd während des ganzen Durchgangs durch den Motor konstant ist, wird die Tangentialgeschwindigkeit der Strömung verändert, indem der Strömungskanal in Richtung abwärts gekrümmt wird, so dass der Strömung eine in Bezug auf das Turbinenrad rückwärtsgeriohtete Relativbewegung erteilt wird. Dadurch werden die absolute Tangentialgeschwindigkeit des Gasstromes und die zu ihr gehörende Zentrifugalkraft verkleinert. Es wird darauf hingewiesen, dass gleichzeitig die Zentrifugalkraft durch den kürzeren Radiusarm der Teilchenrotation verringert wird, wenn das Teilchen näher an die Achse des Laufrades heranrückt. Durch richtige Wahl der Gesamtverkleinerung der Zentrifugalkraft lässt sich der Radialschlupf des Teilchens in der Strömung verringern. Dazu kommt, dass die Axialkraft oder die Kraftkomponente 4Cⁿ in einer Axialriehtung auf jeden gewünschten , positiven Wert vermindert werden kann und damit der Axial— schlupf des Teilchens in der Strömung. Auf diese Weise lässt sich die Richtung der wirksamen dynamischen Kraft auf ein suspendiertes Teilchen in der Radia-Axialebene steuern und das Teilchen dazu bringen, einer Stromlinie zu folgen.

Es soll darauf hingewiesen werden, dass bei der obigen Erörterung eine Anfangsströmungsrichtung genannt wurde, bei der eine Axialkomponente auftrat, damit die Axialkraft 4C

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geschaffen wurde. Somit wird erfindungsgeeäss eine anfängliche Abweichung von der Radialrichtung beabsichtigt. Diese Abweichung kann sichergestellt werden, indem entweder die Strömung in die Rotorsehaufelkanäle mit dem anfänglichen axialen Neigungswinkel eingeleitet wird, eine Möglichkeit, die oftmals in mechanischer Hinsicht kompliziert ist, oder indem die Strömung absichtlich gedreht und auf die suspendierten Teilchen eine momentane, kleine Axialbeschleunigung in der Strömung aufrechterhalten wird, die senkrecht zu den Stromlinien stattfindet. Die letzte Möglichkeit ergibt sich aufgrund der Tatsache, dass die erforderliche lüehturigsänderung so klein ist, dass sie vom Standpunkt des Teilchenaufschlags oder der Teiiehenbesehleunigung in Richtung senkrecht zu den Stromlinien vernachlässigt werden kann. Nichts— destotrotz wird durch solch eine Richtungsänderung die kleine axiale Anfangskomponente geschaffen, die zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahrenvreise notwendig ist.

Es wird nun wieder Bezug genommen auf die in Fig. 2 dargestellte Geschwindigkeits— und Beschleunigungskomponenten— projektion in einer Ebene quer zur Drehachse» Das unter Druck stehende Strömungsmittel wird bei 1 in dieser Figur mit Hilfe der Düse 2 in einer Absolutrichtung 6 ausgestossen. Ein Teilchen 7, das sich mit diesem Düsenstrom bewegt, hat eine Tangentialgeschwindigkeit, die etwas geringer ist als die Tangentialgeschwindigkeit des Laufrades bzw. Rotors, so da»s das Teilchen am Anfang in Bezug auf das Laufrad eine kleine und in Bezug auf die Laufraddrehung rückwärtsgerichtete Tangentialkomponente aufweist sowie eine kleine Radialg%-schwindigkeit. Es ist erwünscht, jedoch nicht notwendig, dass diese Relativgeschwindigkeit während des ganzen Durchgangs durch das Turbinenlaufrad etwas zunimmt·

Die Gasströmung trägt somit das suspendierte Teilchen 7 radial nach innen, wie dies durch die Pfeile 8 in Fig. SI an-

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gedeutet ist. Auf ein solches Teilchen wirkt eine radial' nach aussen gerichtete Kraft ein, die sich aus der Tangential- oder Umfangskomponente der Bewegung des Teilchens ergibt, und diese Zentrifugalkraft ändert sich mit der Umfangsgeschwindigkeit des Teilchens. Ihr entgegengesetzt wirkt die Zugkraft auf das Teilchen, wenn das Teilchen von der Strömung fortgetragen wird.

In Fig. k zeigt der Pfeil T die Tangential- oder Umfangsrichtung und die Drehrichtung an, während 8A einen Pfeil darstellt, der den Zentrifugalkraftvektor verkörpert, welcher auf das Teilchen 7 einwirkt, 8B den Zugkraftvektor auf ein solches Teilchen darstellt und 8C als Pfeil die Summe der beiden Vektoren bildet und damit eine Verzögerungskraft in der dem Tangentialpfeil T entgegengesetzten Richtung beinhaltet. Diese Kraft 8C dient zur Verstärkung der Rückwärtsbewegung des Teilchens 7 relativ zu dem Turbinenlaufrad sowie zur Ablenkung seiner Relativbewegung in eine Richtung, die der Vektor 8D anzeigt. Zusammen mit der Krümmung des Strömungskanals, die so erfolgt, dass der Kanal die gewünschte Endrichtung erhält, wird "ein Querschnitt so bemessen, dass die Rückwärtsströmung relativ zu dem Turbinenlaufrad auf eine Tangentialgeschwindigkeit von absolut nahezu Null beschleunigt wird, bei der die Strömung ausgetragen wird, wobei ihre axiale Absolutgeschwindigkeit an dieser Stelle vorzugsweise die einzige Absolutgeschwindigkeit ist, die die Strömung behält.

Fig. k zeigt das Teilchen bei seiner Bewegung radial nach innen, während es rückwärts beschleunigt wird und am Austritt, der sich in radialer Richtung innerhalb des Eintritts befindet, am Ende nur eine kleine axiale Geschwindigkeit aufweist. Die Vektoren 8A^W und möglicherweise 8A¹ können jedoch in einigen Fällen negativ (nach oben gerichtet) sein, wodurch der Radius an der Austrittsstelle vergrössert würde,

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und zwar sogar bis zu eines Punkt, wo er grosser ist als der Eintrittsradius.

In Fig. 4A ist eine Vektorprojektion gezeigt, die denjenigen der Fig. 3 und k ähnlich ist, jedoch für eine Umfangsoberflache mit der Rotorachse als Mittelpunkt gilt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass die Vektorsumme der Axialkomponente 4C und der Tangentialkosponente 80 14C ist, wobei 14C die Axial-Tangentialkomponente darstellt. Ähnliche Ansichten der anderen Vektoren zeigen den Relativweg des Teilchens in Bezug auf den Rotor in dieser abgewickelten Radialansicht.

Eine nähere Prüfung der Fig. 4 ergibt, dass für die darzustellenden Vektoren die anfängliche negative, tangentiale Relativgeschwindigkeit 8C erforderlich ist. Diese negative Geschwindigkeit läset sich leicht durch die richtige Wahl der Auetrittegeechwindigkeit aus den DUsen 3 erzeugen. Wenn jedoch eine andere Düsengeschwindigkeit in Bezug auf die tangentiale Rotorgeschwindigkeit benutzt werden soll, so lässt sich dies bewerkstelligen und danach die Strömung in unmittelbarer Nachbarschaft des Rotoreintritts in die gewünschte Richtung drehen.

In Fig. 5 ist eine Kurve 9 dargestellt, die in jeder Schaufel 10 auftritt, die am Anfang das durch die Eintrittsöffnungen den durch das Laufrad führenden Kanälen zuströmende Gas aufnimmt und die Eigenschaft besitzt, die Strömung im wesentlichen am Eintritt so zu drehen, dass sie die verlangte negative Anfangstangentialkomponente der Relativgeschwindigkeit aufweist. Eine solche Drehung oder Änderung der Richtung ruft natürlich eine auf jedes beliebige suspendierte Teilchen einwirkende Kraft lotrecht zur Stromlinie hervor. Die Grosse und Dauer einer solchen Krafteinwirkung sind jedoch klein, so dass ihre Wirkung vernachlässigt werden kann. Die übrige Darstellung in Fig. 5 gleicht der in den Fig. 1 und 2 gezeig-

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ten, wobei die Strömung durch die Kanäle zwischen den gekrümmten Abschnitten 10 der aufeinanderfolgenden Schaufeln 13 und zwischen der Hauptscheibe 16 des Rotors und der Abdeckung erfolgt. Diese Strömung tritt durch die Eintritte 17 von Fig. 2 oder 17A von Fig. 5 ein und wird durch den Austritt 11 ausgetragen.

Somit lässt sich durch Steuerung der relativen tangentialen Eintrittsgeschwindigkeit und der Kanalrichtung sowie des Querschnitts die Summe der dynamischen Kräfte, die auf das suspendierte Teilchen einwirken, parallel zur Stromlinie halten, wenn das Teilchen sich durch den Rotor hindurchbewegt. f

Die Steuerung der tangentialen Geschwindigkeit und die im obigen in Bezug auf die Radial-Axialebene beschriebene Steuerung können gleichzeitig durchgeführt werden.

Dadurch ergibt sich, dass durch Erzeugung einer erheblichen Anfangsgeschwindigkeit bei der Strömung in den gewählten Richtungen (axial, und/oder tangential) aufgrund des Strömungswiderstandes im wesentlichen am Rotorkanal eine axiale und/oder tangentiale Anfangskomponeute der reinen dynamischen Kraft geschaffen wird. Diese Komponente, die auf ein suspendiertes Teilchen einwirkt, ist so gross, dass bei abnehmender Zentrifugalkraft die Axial-Tangentialkomponente vergrössert und neu ausgerichtet werden kann, um das Teilchen zu veranlassen, einer Stromlinie durch den Botor zu folgen, erzeugt durch Schaufeln angemessener und geeigneter Formgebung, ohne dass die Teilchen in erheblichem Umfang auf diese Schaufeln aufprallen.

In den Fig. 6 und 7 ist eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemässen Laufrades dargestellt, während in Fig. 8 eine andere spezielle Ausführungsform beschrieben ist, die beide im folgenden näher erläutert/werden sollen.

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Der in-Fig. 6 -gezeigte Turbinenrotor hat einen Hauptlaufradabschnitt Bit einem sich in radialer Richtung erstreckenden, scheibenähnlichen Teil 16, dessen Oberfläche eine der Wände jedes Gaskanals durch den Rotor bildet. Der scheibenähnliche Teil 16 ist, wie bei 17 erkenntlich, mit einer leichten, axialen Neigung versehen, so dass dann, wenn das zu expandierende Gas in den Rotor eingeblasen wird, das Gas auf diese Oberfläche aufschlägt und eine geringe axiale Bewegung»- konponente der oben beschriebenen Art erhält. Die durch den Rotor führenden Kanäle werden von rund um den Umfang mit Abstand angeordneten Schaufeln 18 begrenzt. Die Schaufeln 18 sind von dem in radialer Richtung äussersten Teil nach innen zu sowohl gekrümmt als auch mit einer wachsenden Breite ausgestattet. Jede Schaufel 18 steht entlang der einen Kante mit der benachbarten Oberfläche des scheibenähnlichen Teils 16 in ununterbrochener Verbindung. Die äussersten Teile der entgegengesetzten Schaufelkanten sind vorzugsweise durch einen Abdeckungsring oder einen Umhüllungsring verbunden, der so geformt ist, dass er die notwendige axiale Verbreiterung der durch den Rotor führenden Kanäle schafft, wenn sich die Kanäle nach innen zu in Richtung auf die Achse erstrecken. Der Umhüllungsring kann weggelassen werden, falls die Schaufelkanten nahe an einer stationären Wandung rotieren, die dem Umriss der Schaufelkanten angepasst ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass diese Schaufeln 18 in der oben beschriebenen Weise so gebaut sind, dass sie an ihren äussersten Enden und an den Eintritten zu den durch den Rotor führenden Kanälen mit Abschnitten 9 versehen sind. Dieee Abschnitte 9 sind leicht rückwärts und in radialer Richtung nach aussen geneigt, so dass, falls gewünscht, Gas in den Rotor mit einer Tangentialgeschwindigkeit eingeblasen werden kann, die etwas grosser ist als diejenige der äusseren Abschnitte des Rotors, an denen sich die Eintritte zu diesen Kanälen befinden. Diese äusseren Abschnitte der Schaufeln

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sind dann etwas gekrümmt, so dass sich die Schaufeln von einem Punkt, der von den Eintritten zu den Kanälen nach innen zu einen geringfügigen Abstand aufweist, erstrecken, und sich in Richtung nach innen iuer steiler nach hinten krüwien. Somit ist die Tangentialgeschwindigkeit des Gases in diesen Kanälen von eines Punkt, der sich unmittelbar neben und innerhalb der Eintritte befindet, etwas kleiner als die des Rotors an diesen Punkten. Venn sich die Gase nach innen bewegen, werden sie in zunehmenden MaOe in tangentialer Richtung, im absoluten Sinne verzögert. Diese Verzögerung oder Abbremsung setzt sich solange fort, bis die absolute Tangentialgeschwindigkeit des Gases im wesentlichen Null ist. Seine Geschwindigkeit relativ zu dem Laufrad ist dann gleich der Absolutgeschwindigkeit des Rotors, jedoch der Rotorgeschwindigkeit entgegengesetzt gerichtet. Das Gas wird von den Austritten der Kanäle ausgetragen, die in diesem Falle in axialer Richtung offen sind, wie dies bei 11 ersichtlich ist.

Bei der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform findet der Gasaustrag aus den durch den Rotor führenden Kanälen in axialer Richtung statt. Der Schaufel teil 16 ist mit einem Nabenabschnitt 19 versehen, der sich axial bis zu einer Ebene erstreckt, die im wesentlichen mit den Austritten 11 zwischen den Schaufeln zusammenfällt, und er ist an den Innenkanten der Schaufeln untrennbar befestigt. Zur Lagerung des Rotore auf einer geeigneten Welle kann irgendeine passende Öffnung 20 in der Nabe 19 vorgesehen werden.

In den Fig. 6 und 7 weist die Wandung des Scheibenteils 16, der einen Teil der Wände der durch den Rotor führenden Kanäle bildet, eine anfängliche Axialneigung in Richtung nach innen auf, um dadurch die Gase beim Durchtreten durch diesen Rotor in axialer Richtung zu bewegen und sie von dem einen Ende des Rotors in axialer Richtung auszutragen. Bei einer anderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird ein Laufrad

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wie es in Fig. 8 gezeigt ist, verwendet, bei dem der Austrag 111 zwischen den Schaufeln in radialer Richtung nach innen in einen hohlen Teil oder offenen Raum rund um die Achse stattfindet. In solch einem Fall ist nicht erforderlich, dass das in die Eintritte der Laufradkanäle einströmende Gas irgendeine axiale Geschwindigkeitskomponente hat, da die Gase sich nicht in erheblichem Umfange in axialer Richtung bewegen, bis sie aus ihren Kanälen zwischen den Schaufeln austreten. Im Falle dieses Laufrads wie auch im Falle des in den Figuren 6 und 7 gezeigten Laufrads sind die Eintritte rund um den äusseren Umfang angeordnet und liegen zwischen einem Scheibenabschnitt 116 und einer Abdeckung 112, die von dem Scheibenabschnitt in axialer Richtung einen Abstand aufweist sowie zwischen den Schaufeln 118, die rund um den Umfang des Rotors zwischen dem Scheibenabschnitt 116 und der Abdeckung 112 mit Abstand angeordnet sind.

Alle derartigen Schaufeln 118 sind neben ihren äussersten Teilen bei 109 leicht nach aussen und rückwärts gekrümmt und verlaufen in ihrer ganzen Länge innerhalb davon in radialer Richtung nach innen und rückwärts oder nach hinten. Die Querschnitte der Kanäle, die zwischen diesen Schaufeh vorhanden sind, ergeben sich aus der Schaufelbreite und der Lage der Abdeckung 112 in Bezug auf die Scheibe 116. Im Gegensatz zu der Vorrichtung nach den Figuren 6 und 7 sind die Austritte der Kanäle zwischen den Schaufeln, wie sie bei 111 dargestellt sind, radial nach innen gerichtet. Infolgedessen wird das Gas, weil es von den Kanälen mit einer absoluten Tangentialgeschwindigkeit von im wesentlichen Null.abgegeben wird, wie es auch bei der Ausführungsform nach den Figuren 6 und 7 der Fall ist, ohne irgendeine Axialgeschwindigkeit und mit einer nur massigen radial nach innen gerichteten Geschwindigkeit ausgetragen. Obgleich nun das Gas nach seinem in radialer Richtung erfolgenden, soeben beschriebenen Austritt axial umgelenkt werden muss, kann dies ohne einen Aufprall auf die Schaufeln erfolgen, da das Umlenken

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oder Drehen erst dann erfolgt, nachdem das Gas zwischen den Schaufeln ausgetreten ist.

Dasselbe Prinzip wird bei dem Rotor in Fig. 8 angewendet, wie es in Verbindung mit den anderen Figuren im obigen beschrieben wurde. Es besteht jedoch keine Notwendigkeit für eine Anfangsaxialkomponente, noch muss in irgendeiner Weise Vorsorge getroffen werden, um dem Gas zu irgendeinem Zeitpunkt während seines Durchgangs durch den Rotor eine Axialkomponente zu erteilen.

Zur genaueren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes und zur ™ Erklärung gewisser spezieller Ausführungsformen wird nun auf die Fig. 9A, 9B, 9C, 10 und 11 Bezug genommen.

Um ein passendes und praktikables Beispiel zu benutzen, wird angenommen, dass die Spitzengeschwindigkeit des Rotors bei den Darstellungen in den letztgenannten Figuren etwas über 305 m/Sekunde liegt, und dass das in den Umfang dieses Rotors eintretende Gas aus den umgebenden Primärdüsen mit einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente von 305 m/Sekunde, einer radialen Geschwindigkeitskomponente von 38,1 m/Sekunde und einer vernachlässigbaren axialen Geschwindigkeitskomponente ausgestossen wird. Der Querschnitt des durch den Rotor i führenden Kanals ist so bemessen, dass sich die Geschwindigkeit in der Radial-Axialebene am Austrag auf etwa 6l m/Sekunde erhöht.

Die Kurve A-B in Fig. 10 stellt die Projektion des absoluten Weges in der Querebene (Axialansieht) dar, dem ein Strömungsmittelelement bei seinem Durchgang durch den Rotor folgt. Dieses Element wird als radial äusserstes Element der Strömung angesehen. Der Anfangspunkt A ist in. den Figuren 9A, 9B und 9C gezeigt. Wenn das Element von dem Anfangspunkt A sich in Richtung seines Austragspunktes B vorwärtsbewegt, nimmt seine Absolutgeschwindigkeit in der Querebene (Fig.lO)

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allmählich ab, und die Krümmung seines Pfades steigt allmählich an (der Krümmungsradius wird kleiner). Diese Kurve ist nicht willkürlich gezeichnet, sondern wurde schrittweise aus den angenommenen Anfangsbedingungen und Voraussetzungen konstruiert, wozu auch die in den Figuren 9A, 9B und 9C angenommene Schaufelform gehört. Diese letztere Schaufelform wird im folgenden im einzelnen erläutert.

Auf dem Pfad A-B in Fig. 10 sind in gleichem Zeitintervall aufeinanderfolgende Stationen als t^, tg, t, usw. markiert. Bei einer representativen Auswahl dieser Stationen befindet sich auf der konvexen Seite der Krümmung eine Zahl, die die auf das Element in Einheiten der Schwerkraft gemessene Zentrifugalkraft angibt. Die erste Station ist mit der Zahl 72 000 markiert, was bedeutet, dass hier eine Zentrifugalkraft herrscht, die das 72 000-fache der Schwerkraft beträgt. Diese Zentrifugalkraft ist begründet durch die Geschwindigkeit, mit der das Element einem gebogenen Absolutpfad folgt.

Wie oben erwähnt, verringert sich die Komponente der Absolutgeschwindigkeit des Elements entlang diesem Pfad A-B allmählich, und diese Verzögerung erfordert zu ihrer Durchführung eine Kraft tangential zu der Kurve. Die auf der konkaven Seite der Kurve A-B an jeder Zeitstation t., t„ etc. angeschriebenen Zahlen geben die Tangentialkraft als Vielfaches der Schwerkraft an jedem Punkt wieder, die zur Verzögerung des Elementes um den gewünschten Betrag erforderlich ist.

Die Zentrifugalkräfte wirken in radialer Richtung (zur Kurve), während die Verzögerungs- oder Bremskräfte in tangentialer Richtung wirken. An representativen Punkten ist ein Vektordiagramm aufgezeichnet, das die resultierende Kraft in dieser Ebene zeigt.

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Eine überprüfung des Weges eines Teilchens entlang dem Pfad A-B in Fig. 10 und ein Vergleich des Weges mit der Schaufelform in Fig. 9A ergibt, dass die Neigung der Schaufelform an jeder entsprechenden Stelle, allerdings mit einer geringfügigen, unten erläuterten Abweichung, mit dem resultierenden Kraftvektor zusammenfällt.

Hinter dem Punkt t^ weicht die resultierende Kraft aus ihrer parallelen Lage zur Kanalwand ab, da in diesem Falle eine Abweichung der Schaufelform von den idealen Verlauf (gestrichelte Linie) zu einem praktikableren (gepunktete Linie) Verlauf vorliegt. Diese Abweichung erfolgt in Richtung von der Aussenwand des Kanals weg, innen in die Hauptströmung des Flusses, die erwünscht ist, weil die Strömung das Element hindurchtreibt. Diese Situation beruht auf dem Vorhandensein einer unten beschriebenen Sekundärdüse am Ende des Pfades, wo das Element aus dem Rotorkanal ausgestossen wird.

Ein wesentliches Merkmal dieser Schaufelform und der Arbeitsweise der Schaufel besteht darin, dass dann, wenn die Strömung ein kleines Teilchen (Flüssigkeitstropfen) mitreiset, das klein genug ist, um mit der Strömung bei einer nur massigen Abtrift, sogar unter der Wirkung grosser Beschleunigungskräfte kraftvoll mitgerissen zu werden, dieses Teilchen nicht dazu neigt, auf die Kanalwand zu prallen. Dies ist bei Teilchen der Fall, deren Abmessung Nebelteilchen entspricht, aber auch bei grösseren Teilchen unter gewöhnlich auftretenden Bedingungen, und zwar bis zu einem Durchmesser von etwa 1/50 mm. Diese Tropfchengrössen-grenze ist relativ.

Im folgenden wird nun nicht wie oben auf ein gasförmiges Element, sondern auf ein mitgerissenes oder eingeschlossenes Teilchen Bezug genommen. Die auf ein derartiges Teilchen einwirkende Kraft entspricht der im obigen beschriebenen vektoriellen Summe der Kräfte. Bei dieser verbesserten Schaufel-

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form wirkt die Kraft an allen Punkten parallel zur Wand des Kanals oder von der Wand weggerichtet, so dass das, was die Drift des Teilchens unter dem Einfluss dieser Kräfte beim Durchgang der Strömung durch den Rotor aufrechterhält und einen Aufprall des Teilchens auf der Wand sowie eine Ansammlung der Einzelteilchen auf der Wand verursachen könnte, parallel oder von der Wand weggerichtet ist und nicht auf die Wand hin.

Es wird nunmehr der Pfad C-D in Fig. iO betrachtet, der die Axialprojektion des absoluten Weges eines Teilchens darstellt, das dem in den Figuren 9A, 9B und 9C gezeigten Pfad folgt und diese Axialprojektion wird als radial innerstes Element des Flusses bezeichnet. Die Projektion dieses Pfades in Fig. 10 ist ebenfalls mit Kraftvektordiagramme versehen, die an representativen Zeitintervallen aufgezeichnet sind und die resultierende Kraft zu jedem Zeitpunkt erkennen lassen. Ein Vergleich dieser Axialprojektion des Pfades und der Reihe Vektordiagramme mit der Form der Axialprojektion der benachbarten Wand des in Fig. 9A gezeigten Kanals zeigt, dass die Wand an allen Punkten zwischen C und dem Zeitpunkt t₁₀ parallel zu den resultierenden Vektoren verläuft. Am Zeitpunkt t._Q verläuft dieser resultierende Vektor, wie in Fig. 9A gezeigt, unter einem Winkel zwischen 45 und 60 zu einem Radius. Zwischen dem Zeitpunkt t.„ und D sind die Vektoren sehr viel kleiner. Eine kleine Komponente jeder dieser kleinen, resultierenden Vektorkräfte verläuft lotrecht zur Kanalwand (gestrichelte Linie) und drückt das suspendierte Teilchen gegen die Wand. Der Querschnitt des Teils des durch den Rotor führenden Kanals, der in Radialrichtung auf der Innenseite des Zeitpunkts t_±Q vorhanden ist, welcher nahe am Mittelpunkt des Rotors liegt, ist nur ein kleiner Bruchteil des Querschnitts des vollen Kanals. Das heisst, die Kraft, die die Teilchen trifft, und zwar in Richtung auf die Kanalwand verursacht, ist sehr klein und beeinflusst einen Teil

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der Strömung, der nur einen kleinen Anteil der Gesamtetrömung darstellt. Die Schaufel könnte so geformt werden, dass sie das Erfordernis der Parallelität zu der resultierenden Beschleunigungskraft auf dem ganzen Weg zum Austrag voll erfüllt, sie würde jedoch dann strukturell gesehen, nicht den hohen Drehzahlen, wie sie gewöhnlich für die Spitzengeschwindigkeiten in der Grössenordnung von 305 m/Sekunde notwendig sind, standhalten. Deshalb stellt die Schaufelform einen Kompromiss dar, der in der Nähe dieser Bedingung liegt,und mit der unten erläuterten Ausnahme kann in den meisten Fällen diese massige Bewegung des suspendierten Teilchens in Riehtung auf die Wand in einem Bereich, der nur einen kleinen ™ Anteil der Gesamtströmung ausmacht, toleriert werden.

Bei einer geringeren als der vollen Kapazität, für die die Konstruktion ausgelegt ist, werden die Austrittskanäle zwischen den Schaufeln nicht gut gefüllt. Aufgrund der Zentrifugalkraft, die der Annäherung der Strömung an die zentralen Teile der Kanäle entgegenwirkt, wird die Strömung in Richtung auf die ausseren Teile der Kanäle gedrängt. Dadurch wird das obige Problem der zu geringen Füllung der Kanäle, als sie dem vorgesehenen Durchfluss entspricht oder umgekehrt, wenn die Kanäle für den tatsächlichen Durchfluss zu gross bemessen sind, auf ein Mindestmass beschränkt oder sogar ganz gelöst. ä

Es ergibt sich jedoch eine Verbesserung, die das Problem der geringen Teilchenbewegung in Richtung auf die Wand löst. Sie besteht darin, dass dieser Teil des Kanals an diesem in Fig. Ii gezeigten Punkt beendet wird.

Eine weitere Verbesserung, die zur Lösung desselben Problems beiträgt, besteht darin, dass an der äusseren Kante der Schaufel, wie in den Figuren 9A und 9B gezeigt ist, eine Lippe 20 vorgesehen wird. Die Lippe behindert den Gasstrom in der Nähe der Führungswand des Kanals, wobei der Gasstrom beinahe

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zum Stillstand kommt. Demzufolge wird entlang dieses Abschnitts des Pfades C-D, wo der resultierende Kraftvektor eine Komponente lotrecht zur Wand aufweist, diese Kraft die in dem Hauptstrom eingeschlossenen bzw. mitgerissenen Teilchen beeinflussen, jedoch nicht die in dem Teil der Strömung vorhandenen Teilchen, die sich in der Nähe der Kanalwand befinden, weil dort die Strömung verhältnismässig stillsteht. Die kleine Drift, die von diesen kleinen Kraftvektoren herrührt, kann das Teilchen in diese nahezu stagnierende Strömung hineintragen. Diese nahezu ruhende Strömung überlässt jedes beliebige suspendierte Teilchen nur einer radialen Zentrifugalkraft. Wenn dieses suspendierte Teilchen dazu tendiert, sich radial nach aussen zu bewegen, verliert es an Winkelgeschwindigkeit und bewegt sich von der Wand fort in die Strömungsmittelströmung hinein, die es dann hinwegträgt. Falls es sich in Richtung auf den Austrag weiterbewegen und auf die Lippe 20 aufprallen sollte, wie dies bei einigen Teilchen ohne Zweifel der Fall sein wird, dann können sich die Teilchen auf der Lippe sammeln, jedoch wird die Zentrifugalkraft jedes Teilchens radial nach aussen auf die Oberfläche in Richtung auf die äussere Kante tragen. An dieser Stelle wird das Teilchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft die Lippe verlassen und in die Hauptströmung fliegen, die sich bereits in der Nähe des Rotoraustrags befindet. Gemäss einer Ausführungsform ist der Rotor so konstruiert, dass die mit 20a bezeichnete Kante ausserhalb irgendeines Teils des Rotors liegt, so dass das von der Kante oder dem Rand der Lippe weggeschleuderte Teilchen in den Austrittskanal eintritt und den Rotor nicht berühren kann.

In Fig. 9 C ist die Projektion des Pfades des Elementes oder Teilchens in einer Axial-Radialebene dargestellt, wobei der Pfad gekrümmt ist. Dadurch wird das Teilchen in radialer Richtung von der konvexen Seite des Pfades weggedrückt. Im Falle des Pfades A-B ist dies erwünscht, weil dadurch das Teilchen

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nach aussen in die Hauptströmung hineingeschleudert wird, so dass es aus dem Austrag ausgeschwemmt wird.

Hei dem Pfad C-D₁ der sich in der Nähe der Innenwand des Kanals befindet, ist dies unerwünscht, obgleich die Kräfte klein sind. Durch eine solche Wirkung wurden die Teilchen dazu gebracht, auf die Innenfläche des Rotorkanals aufzuschlagen. Wie oben erwähnt wurde, ist dies in der Nähe des Rotoraittelpunkts, so dass dieser Bereich nicht gross, die betroffene Gasmenge klein und die Kräfte unbedeutend sind.

üemäss einer anderen Ausführungsform wird an der Austrage- g kante des "Bodens" des Kanals eine radial sich erstreckende ^ Lippe angeordnet, wie sie bei 21 in Fig. 9A gezeigt ist. Dadurch wird wiederum auf der Anstromseite der Lippe eine beruhigte Zone geschaffen und bewirkt, dass die auf die in dieser Zone befindlichen Teilchen einwirkende reine Kraft von dem "Boden¹¹ weg und in die auszutragende Hauptströmung hineingerichtet wird. Jedes Teilchen, das aus der Hauptströmung in diese beruhigte Strömungsschicht eindringt, wird in gleicher Weise zurückgeworfen.

Bei einer anderen Ausbildung dieser Ausführungsform werden auf dieser "Bodenⁿ-Fläche Rippen 22 (Fig. 9G) angeordnet, so dass die angehäufte Flüssigkeit nicht auf dem Boden entlang ä in Richtung auf den Eintritt des Rotors hochkriechen kann, sondern aufgrund der Zentrifugalkraft von den Scheiteln der Rippen nach aussen in die Hauptströmung abgefördert und durch den Austrag ausgeschwemmt wird. Dadurch wird auch die beruhigte Schicht vergrössert und stabilisiert.

In gewissen Fällen hat die Lippe 20 an der Austragskante keinen ausreichenden Einfluss auf die weiter zurück auf der Anstromseite befindliche Strömung. In diesen Fällen können auf der Schaufelwand radiale Rippen 23 oder andere Unebenheiten vorgesehen werden, die den oben für den "Boden" der Kanäle beschriebenen Elementen 22 ähnlich sind.

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Für den Fall, dass Teilchen auf eine Rippe auftreffen, wird sie die Zentrifugalkraft radial nach aussen schleudern, wodurch eine negative Winkelbeschleunigung auf die Teilchen oder Tröpfchen ausgeübt wird, so dass sie die Oberfläche verlassen und sich in der Hauptströmung wiederfinden.

Die Pfade A-B und C-D sind für eine massige radiale Eintrittsgeschwindigkeit und für eine etwa 60 %±ge Beschleunigung im Rotor vorgesehen. Falls die Eintrittsgeschwindigkeit höher sein sollte, müsste sich die erforderliche Schaufelform weiter um den Rotor herum erstrecken,und die beiden Pfade (Fig. 9A) würden etwas näherrücken. Deshalb soll die radiale Eintrittsgeschwindigkeit nach Möglichkeit nicht zu gross sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die axiale Abmessung des Kanals am Eintritt grosser gemacht wird.

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Patentanmeldung; "Gasturbinenrad"

PATENTANSPRÜCHE

i. J Gasturbinenrad zur Expansion von Gas, während das Gas ichanische Energie abgibt, wobei das Turbinenrad einen in bezug auf eine Achse symmetrischen Körper mit einer Reihe von Kanälen aufweist, die rund um den Außenumfang des Rades mit Abstand angeordnete Eintrittsöffnungen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal so geformt und angeordnet ist, daß an einem Anfangspunkt neben dem Eintritt und in dem ganzen übrigen Teil seiner Länge Strö— mungspfade (A-B, C-D) mit radialen Komponenten(4B) und tan— gentialen Komponenten (4C) vorhanden sind, wobei die letztgenannte Komponente in bezug auf die Drehrichtung des Laufrades rückwärts gerichtet ist und die Komponenten (4B, kC) so groß sind, daß an einem beliebigen, gegebenen Punkt bei einer gegebenen Geschwindigkeit der durch die Kanäle erfolgenden Gasströmung der auf ein in de« Gas suspendierte· Feststoffteilchen (7) einwirkende Strömungswiderstand «ine radial nach innen gerichtete Komponente aufweist_r die annähernd der auf das Teilchen (7) einwirkenden Zentrifugal-

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Patentanwälte DtpL-lng. Martin Lichf, DipL-Wirtsch.-lng. Axel Hansmann, DipL-Phys. Sebastian Herrmann ~* 2 —

8 MDNCHEN2, THERESI ENSTRASSf 33"· Telefon: 2812« · TeJegramm-AdreM«iLipatli/Manchen Bayer. Yereimbank Mönchen, Zweios*. Oikqr.von-Miltar-Ring, Kto.-Nr. 882495 · Pothcheck-Konloi München Nr. T03397

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kraft gleich ist, wobei die Richtung der Resultierenden (4A, 4D, 4E) aller Kräfte, die ein derartiges Teilchen beschleunigen, im wesentlichen parallel zu den benachbarten Teilen der Kanalwände verläuft.

2. Gasturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (11, ill) einen kleineren Abstand von der Achse aufweisen als die Eintrittsöffnungen (17)ι und daß eine Richtungsänderung des Strömungswiderstände in eine mehr tangentiale Richtung durchführbar ist, um eine Verkleinerung der radialen Komponente des Strömungswiderstandes zu bewirken und damit eine Verringerung der Zentrifugalkraft, wenn eich ein Teilchen (7) von der Eintrittsöffnung (17) zur Austrittsöffnung (11, ill) bewegt, und um eine Vergrößerung der Tangentialkomponente des

StrömungsWiderstandes herbeizuführen.

3. Gasturbinenrad nach Anspruch 1, oder 2» dadurch gekennzeichnet, daß die Auetrittsöffnungen (11) in axialer Richtung offen und von den Eintrittsöffnungen (17) axial getrennt sind, und daß die Kanäle (18, 118) so geformt sind, daß an einem Anfangspunkt neben ihren Eintrittsöffnungen und entlang des ganzen übrigen Teils ihrer Länge sich Strömungepfade (A-B, C-D) bilden, die auch ein« Axialkomponente aufweisen.

4. Gasturbinenrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad mit Austritteöffnungen (11) versehen ist, die einen kleineren Abstand von der Achse aufweisen ale die Eintritt eöf fnungen (17), und daß eine Strömungewiderstände— änderung auftritt, durch die die Resultierende (4A₁ 4D, 4E) der Axial·* und Tangentialkomponenten dee S trömungs Widerstandes an in radialer Richtung, immer weiter innen liegenden. Funkten zunimmt, wenn die in diesem Strömungswiderstand entgegenstehende Zentrifugalkraft abnimmt, ohne daß die Axial« komponente (4C) in Stromabwärts richtung an allen diesen gegebenen Punkten ansteigt.

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5. Gasturbinenrad nach Anspruch h, gekennzeichnet durch eine Richtungsänderung des Strösungswiderstände, wodurch die Resultierende der Komponenten des Strömungswiderstand* senkrecht zu der Zentrifugalkraft eine Tangeutialkosponente aufweist, die an den gegebenen Punkten ansteigt, wenn sich das Teilchen (7) der Achse nähert und die auf das Teilchen einwirkende Zentrifugalkraft sich verkleinert«

6. Gasturbinenrad nach eines der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daO jeder Kanal (18, 118) an eines Anfangspunkt, der sich neben der Eintrittsöffnung (17) befindet, eine Richtung alt einer radialen Komponente hat, derart, daO die an dieses Anfangspunkt auf ein in des Gas-feus pendiertes Feststoffteilchen einwirkende radiale Strösungswiderstandskomponente des Gases, das Bit einer Torgegebenen Geschwindigkeit durch diesen Kanal ströet, annähernd gleich der Zentrifugalkraft ist, die auf das Teilchen an dieses Anfangspunkt einwirkt, daB die rechtwinklig zu der Zentrifugalkraft wirkende Kosponente unter eines solchen Winkel zu der Achse angeordnet ist, daB die Axialkosponente des Strömungswiderstand* einen beetissteu Vert hat, der erforderlich ist, us das Teilchen in axialer Richtung sofort zu beschleunigen, und daB Jeder Kanal (18, 118) so geforst ist, daB der Strömungswiderstand die axiale Beschleunigung konstant erhöht, wobei der Anfangswert so besessen ist, daB an der Auetrittsöffnung (ll) ein gewünschter Wert erreicht wird, und eine Verzögerung in der Tangential- und Radialrichtung stattfindet, so daB die Resultierende der drei Kraftkosponenten parallel zu des durch den Kanal stattfindenden Durchfluß bleibt.

7. Gasturbinenrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daB der Strömungswiderstand des Teilchen eine Usfangskosponente erteilt, um dadurch die Umfaugs- oder Tangentialbewegung des Teilchens (7) abzubressen.

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8. Gasturbinenrad nach einem der Ansprüche i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (18, 118) so geformt ist, daß eine sich verkleinernde radiale Geschwindig— keitskomponente erzeugt und eine sich relativ zu dem Rad vergrößernde Komponente geschaffen wird, die in tangentialer Richtung senkrecht zu der ersten Komponente steht, um dadurch eine abnehmende Umfangsgeschwindigkeit zu erreichen und damit eine abnehmende, auf ein solches Teilchen (7) an den aufeinanderfolgenden Punkten einwirkende Zentrifugalkraft, je näher die Punkte der Achse liegen sowie eine Vergrößerung der Komponente in Axialrichtung.

9. Radialreaktionsturtainenrotor, gekennzeichnet durch eine Rückwand (l6) und viele rund um den Umfang mit Abstand angeordnete Schaufeln (13)» die sich von ihr aus in einer axialen Richtung erstrecken und so geformt sind, daß die axiale Projektion des Pfades (A-B, C-D), dem das in radialer Richtung äußerste Element der Strömung relativ zudem Rotor folgt sowie ihre Drehrichtung radial nach innen und in bezug auf ihre normale Drehrichtung leicht rückwärts verläuft, und zwar beginnend neben dem Umfang dee Rotors und zunehmend rückwärts gerichtet sowie axial bis beinahe vollständig tangential und axial am Austrittspunkt, und daß der Pfad des in radialer Richtung innersten Elementes eine Kontur aufweist, die neben dem Umfang des Rotors beginnt, wo sie fast vollständig mit der Kontur des äußersten Elementes zusammenfällt, und die dann relativ zu der normalen Drehrichtung bis etwa 45° bis 60° bezüglich eines Radius in Unfangarichtung rückwärts verläuft.

10« Gasturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkanten der Austragsenden der Schaufeln (18) •Ich in axialer Richtung über ihre Außenkanten hinauser— strecken.

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11. Gasturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkanten der Austrageenden der Schaufeln (18) eich in axialer Richtung über ihre Innenkanten hinauserstrecken.

12. Gasturbinenrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragskante jeder Schaufel (18) eine hintere überhängende Lippe (20, 20a) aufweist.

13* Gasturbinenrad nach Anspruch k_t dadurch gekennzeichnet, daß die innere Begrenzung der Austragsöffnung jedes Kanals eine überhängende Lippe besitzt.

Ik. Gasturbinenrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^ daß die innerste Vand jedes Kanals viele Quererhebungen (22) aufweist.

15. Gasturbinenrad naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderwand jedes Kanals viele Bippen (25) aufweist.

16. Radialer Reaktionsturbinenrotor nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch viele Schaufeln (18), von denen jede eine Kontur aufweist, die parallel zu der vektoriellen Summe der Tangential- und Zentrifugalkräfte verläuft, die auf ein benachbartes Element der fließenden Strömung einwirken.

17. Turbinenrotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, " daß die vektorielle Summe der Kräfte, der die Schaufelkontur parallel liegt, auch die Axialkraft enthält, die auf das benachbarte Element der fließenden Strömung einwirkt.

18. Turbinenrotor nach Anspruch 16 oder 17 in Kombination mit einer Oüsenvorrichtung, die so angeordnet ist, daß sie eine Strömung in tangentialer Richtung des Rotors in die Kanäle zwischen den äußeren Enden ihrer Schaufeln hineinlenkt,

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jedoch sit einer kleinen Radialkcmponente in bezug auf den Rotor, dadurch gekennzeichnet, daß die DUeenvorrichtung (2) einen Halsteil aufweist, der so lang ist, daß der Strömungswiderstand einer durch den Haie sich bewegenden Strömung auf ein in der Strömung suspendiertes Teilchen lange genug einwirkt, um das Teilchen auf im wesentlichen die in dem Halsteil herrschende Strömungsgeschwindigkeit zu beschleunigen.

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