DE1949625C2

DE1949625C2 - Gasturbinenrotor

Info

Publication number: DE1949625C2
Application number: DE1949625A
Authority: DE
Inventors: Judson S. Los Angeles Calif. Swearingen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-07-09
Filing date: 1969-10-01
Publication date: 1984-07-12
Also published as: NL6916394A; US3610775A; DE1949625A1; GB1283219A

Description

Die Erfindung betrifft einen G.isiurbinenmior gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei derartigen Gasuirbineiirotoicn. wie sie beispielsweise aus »Mechanical Knjiinccriiif.'·«. |uni l^l)(>2. S. K^r> bekannt sind, wurde insbesondere bei der Tieftemperaturanwendung, bei der tiefgekühlte, unter Druck stehende Gase, wie sie beispielsweise beim Luftverflüssigungsverfahren auftreten, entspannt werden, beobachtet, daß das beim Entspannen im Gasstrom entstehende Kondensat in Tröpfchenform dadurch erhebliche Nachteile für die Turbinenschaufeln mit sich bringt, daß die Tröpfchen unter der auf sie im Schaufelkanal einwirkenden Zentrifugalkraft und Umfangskraft auf die Kanalwände ίο geschleudert werden, wo sie Erosion bewirken.

Es sind ferner die Strömungsverhältnisse in Turbmenrolorkanälen und insbesondere die Kraftwirkungen auf in den Kanälen innerhalb eines Gasstroms transportierte Teilchen, insbesondere Flüssigkeitsteilchen, bekannt So unterliegt ein nicht-gasförmiges Teilchen in einer beliebigen Radiallage innerhalb eines solchen Kanals einer bestimmten Zentrifugalkraft, wenn sich der Rotor mit einer entsprechenden Geschwindigkeit dreht. Das Teilchen wird dadurch veranlaßt, sich in etwa radial in Richtung auf die Außenwand des Kanals zu bewegen. Dazu gehört auch die Vorstellung, daß bei dieser Bewegung eines solchen Teilchens bei einer herrschenden Gasströmungsgeschwindikgkeit auf das Teilchen eine bestimmte Bremskraft einwirkt bzw. ein bestimmter Widerstand, die dadurch verursacht werden, daß das Gas an dem Teilchen vorbeiströmt, das Teilchen selbst sich also langsamer bewegt als das Gas. Die radial nach innen gerichtete Komponente dieser Widerstandskraft muß somit größer sein als die an der betreffenden Stelle wirkende Zentrifugalkraft, damit das Teilchen veranlaßt wird, sich mit dem Gasstrom zu bewegen. Dies läßt sich durch entsprechende Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases erreichen. Dadurch -.vird jedoch der genannte Nachteil der Erosion der Kanalwände durch Aufschlagen der Teilchen in keiner Weise beseitigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb dann, Mittel und Wege zu finden, den erheblichen Verschleiß der Turbinenschaufel, der durch die Erosion bewirkt wir, welche kondensierende Gase verursachen, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden also Krümmung und Verlauf der Rotorschaufeln so gewählt, daß die Resultierende der Kräfte, die auf irgendein im Gasstrom suspendiertes Flüssigkeitsteilchen einwirken, parallel zu den Schaufel- bzw. Kanalwänden gerichtet ist. Dies bedeutet nicht, daß Teilchen beliebiger Größe, Masse und so Gestalt in einem Schaufelkanal innerhalb eines Gasstroms gefordert werden können, ohne mit der Kanalwandung in Berührung zu kommen, sondern daß sich die Lehre im wesentlichen auf Flüssigkeitsteilchen und damit Tröpfchen bis zu einem Durchmesser von 0,02 mm bezieht. Solche Teilchen treten beispielsweise als Kondensationsprodukte in den in Kälteturbinen expandierenden Gasen auf. Andererseits sind natürlich auch Gasslrömc denkbar, die von Hause aus solche Flüssigkeitsieilchcn beinhalten und in Expansionsturbi-M) nen entspannt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaufeln des erfindungsgemäßen Gasturbinenrotors sind in den Wntcransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in cW Zeichnung dari,5 gestellten Ausführungsbeispielc näher erläutert. In der Zeichnung y.cigt

I· ig. I eine Schnitlansichl entlang einer Radialchenc '■•ι- Düscr einer Radialturbine und eines

maß gebauten Rotors, wobei die Gasströmung in einer solchen Radialebene sichtbar gemacht ist,

F i g. 2 eine ähnliche, ziemlieh unvollständige Ansicht derselben Konstruktion, längs einer Ebene, die im wesentlichen rechtwinklig zu der von F i g. 11 egt, mit einer verlängerten Düsenform,

Fig.3 eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten in einer Ebene, die mit der Schnittebene von F i g. 1 vergleichbai ist,

Fig.4 eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten in einer Ebene, die rechtwinklig zu der in F i g. 3 gezeigten liegt und sich in bezug auf die Drehachse des Rotors radial erstreckt,

Fig.4A eine Vektor-Darstellung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungskomponenten, gesehen von außen in Richtung auf die Rotorachse, in einer radial abgewinkelten Ansicht,

F i g. 5 eine Teilansicht, die dem oberen Abschnitt von F i g. 2 ähnlich ist, jedoch eine etwas abgeänderte Ausführungsform der im Idealfal! bevorzugten Rotorform von F i g. 2 zeigt, so daß eine etwa der Praxis entsprechende Ausführungsform entsteht,

F i g. 6 eine Seitenansicht eines Radial-Axialstromturbinenrotors, gemäß dem Erfindungsvorschlag, wobei die am Umfang angeordneten Eintrittsöffnungen für das zu expandierende Gas sichtbar sind,

F i g. 7 eine Teilstirnansicht des Turbinenrotors von F i g. 6, wobei Teile zur Verdeutlichung der Formgebung, Anordnung und Lage der Schaufeln, die die durch den Rotor führenden Kanäle bilden, weggebrorhen sind,

F i g. 8 eine d^r F i g. 7 ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform des Rotors für eine im wesentlichen vollständig radiale Strömung,

F i g. 9A eine schematische Axialansichl eines Rotorteils der in den F i g. 5 bis 7 gezeigten Ausiührungsform, und zwar mit einer geringfügigen Abänderung, die eine Projektion eines Kanals zwischen zwei Schaufeln auf eine Ebene/scnkrecht zu einer Achse zeigt,

F i g. 9B eine Seitenansicht mit der Projektion solcher Kanäie auf eine Radial-Axialebene,

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

Fig. 11 eine der Fig. 9B ähnliche Ansicht einer anderen Ausführungsform des Strömungskanals.

Erfindungsgemäß sind die Schaufeln, die die durch den Turbinenrotor führenden Kanäle bilden, so angeordnet und geformt, daß sie neben den Rolordurchgangseintrittsöl'fnungcn eine gerichtete Eintriltsgesehv/indigkeit erzeugen, die sich von der Tangentialgeschwindigkeit des Rotors unterscheidet. Eine solche Eintrittsgeschwindigkeil und -richtung durch den Rotorkanal wird so gesteuert und geändert, daß die Be- «i schleunigung des suspendierten Flüssigkeitsteilchens quer zu der Stromlinie vernachlässigt werden kann. Dies läßt sich am besten verstehen, wenn man dem schrittweisen Pfad folgt, wie er in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, sowie der Formgebung der Roterabdeckung. Diese schaffen der. gewünschten Durehgangsqueischnilt und damit die Gasgeschwindigkeit durch die Kanäle, so Jaß die Wände oder die die Schaufeln bildenden Wände dieser Kanäle sich so anordnen lassen, daß sie den Anforderungen genügen.

Wie aus den F i g. 1 und 2 im einzelnen ersichtlich ist, tritt das Gas aus einer Hochdruckzone 1 in eine Düse 2 ein, die bezüglich des Turbinenrctors feststeht In dem Hals 3 der Düse 2 wird das Gas auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt Der überwiegende Teil dieser Beschleunigung erfolgt in einer Tangentialrichtung, jedoch liegt eine Geschwindigkeitskomponenti. in der radialen Richtung, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist Die Hälse solcher Düsen lassen sich durch Verlängerung der anstromseitigen Enden der Düsenschaufeln strecken und damit aus der gewöhnlichen Länge, wie sie bei 2A in F i g. 2 dargestellt ist, in die durch ausgezogene Linien gekennzeichnete Länge überführen. Dadurch wird einem, mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen mehr Zeit zur Verfugung gestellt um es auf die hohe Geschwindigkeit des in der Düse befindlichen Gases zu beschleunigen.

Erfindungsgemäß soll die zeichnerische Summe der Geschwindigkeitskomponenten in der Radial-Axialebene im idealfal! den durch den Rotor führenden Pfeilen 4 (F i g. 1) folgen, wobei sie, wenn diese Bedingung erfüllt ist im wesentlichen eine Drehung um 90° ausführt, woraufhin sie den Rotor in axialer Richtung, wie durch den Pfeil 5 angeordnet, mit im wesentlichen keiner oder nur einer kleinen Radialkomponente verläßt. Wenn dies der Fall ist, werden die in der Strömung mitgerissenen Flüssigkeitsteilchen dem Weg der Pfeile folgen und eine vernachlässigbar geringe Tendenz haben, in Richtung auf die Kanalwand abzutreiben oder abzutriften und auf die Wand aufzutreffen.

In bezug auf das Vektordiagramm der auf ein suspendiertes Flüssigkeitsteilchen in der Radial-Axialebene einwirkenden Kräfte, wie es in F i g. 3 gezeigt ist, soll angenommen werden, daß der Pfeil AA die Anfangsgeschwindigkeit des Gases darstellt, und daß diese Geschwindigkeit eine kleine Axialkomponente 4Cin Richtung auf den Austritt aufweist In diesem Diagramm kann der Pfeil AA als ein Vektor betrachtet werden, der die starke Zugkraft des Gasstroms in Richtung auf die Hauptströmung darstellt, in der ein Flüssigkeitsteilchen suspendiert ist, dessen Bewegung beobachtet werden soll, wobei die Kraft von dem Flüssigkeitsteilchenschlupf relativ zum Gas abhängt. Sie ist proportional zur Schlupfgeschwindigkeit oder -größe, da das Flüssigkeitsteilchen bestrebt ist, dem Entlangstreichen Widerstand entgegenzusetzen. Außerdem ist eine relativ große Kraft AB in einer Radialrichtung vorhanden, und zwar aufgrund der Zentrifugalkraft. Die Vektorsumme der Kräfte AA und AB ist die Kraft AC, die das Flüssigkeitsteilchen in Axialrichtung beschleunigt und seine wirksame Geschwindigkeit von der bei AA in die bei AD herrschende Geschwindigkeit verändert, wenn sich die Strömung dahinbewegt.

Die durch den Pfeil AD dargestellte Geschwindigkeit weist eine Richtung auf, die stärker axial ist als die des Pfeiles AA, so daß eine größere A.xialkomponente der Kraft AC auftritt als die, die durch den Pfeil ACdargestellt wird. In ähnlicher Weise ist der Pfeil 4Fder Axialrichtung mehr angenähert als der Pfeil AD und ergibt, deshalb im Vergleich zu der von AD eine größere Axialkomponente AC". Auf diese Weise läßt sich die Richtung de wirksamen dynamischen Kraft auf ein suspendiertes Flüssigkeitsteilchen in der Radial-Axialebene steuern und das Flüssigkeitsteilchen dazu bringen, einer Stromlinie zu folgen.

Es wird nun wieder Bezug genommen auf die in Fig. 2 dargestellte Geschwindigkeits- und Beschleiini-

gungskomponentenprojektion in einer Ebene quer zur Drehachse. Das unter Druck stehende Strömungsmittel wird bei i in dieser Figur mit Hilfe der Düse 2 in einer Absolutrichtung 6 ausgestoßen. Ein Flüssigkeitsteilchen 7, das sich mit diesem Düsenstrom bewegt, hat eine Tangentialgeschwindigkeit, die etwas geringer ist als die Tangentialgeschwindigkeit des Rotors, so daß das Flüssigkeitsteilchen am Anfang eine kleine, relativ zur Rotordrehung rückwärtsgerichtete tangcntiale Geschwindigkeitskomponente aufweist sowie eine kleine Radialgeschwindigkeit.

Die Gasströmung trägt somit das suspendierte Flüssigkeitsteilchen radial nach innen, wie dies durch die Pfeile 8 in F i g. 2 angedeutet ist. Auf ein solches Flüssigkeitsteilchen wirkt eine radial nach außen gerichtete \^r, Kraft ein, die sich aus der Tangential- oder Umfangskomponente der Bewegung des Flüssigkeitsteilchen ergibt, und diese Zentrifugalkraft ändert sich mit der Umfangsgeschwindigkeit des Flüssigkeitsteilchens. Ihr entgegengesetzt wirkt die Zugkraft auf das Flüssigkeitsteilchen, wenn das Flüssigkeitsteilchen von der Strömung fortgetragen wird.

In Fig.4 zeigt der Pfeil Tdie Tangential- oder Umfangsrichtung und die Drehrichtung an, während BA einen Pfeil darstellt, der den Zentrifugalkraftvektor verkörpert, welcher auf das Flüssigkeitsteilchen 7 einwirke, 8ß den Zugkraftvektor auf ein solches Flüssigkeitsteilchen darstellt und SC als Pfeil die Summe der beiden Vektoren bildet und damit eine Verzögerungskraft in der dem Tangentialpfeil Γ entgegengesetzten Richtung beinhaltet. Diese Kraft 8C dient zur Verstärkung der Rückwärtsbewegung des Flüssigkeitsteilchens 7 relativ zu dem Turbinenrotor sowie zur Ablenkung seiner Relativbewegung in eine Richtung, die der Vektor 8ß anzeigt. Zusammen mit der Krümmung des Strömungskanals. die so erfolgt, daß der Kanal die gewünschte Endrichtung erhält, wird sein Querschnitt so bemessen, daß die Rückwärtsströmung relativ zu dem Rotor auf eine Tangentialgeschwindigkeit von absolut nahezu Null verzögert wird, bei der die Strömung ausgetragen wird, wobei ihre axiale Absolutgeschwindigkeit an dieser Stelle vorzugsweise die einzige Absolutgeschwindigkeit ist, die die Strömung behält.

F i g. 4 zeigt das Flüssigkeitsteilchen bei seiner Bewegung radial nach innen, während es rückwärts beschleunigi wird und am Austritt, der sich in radialer Richtung innerhalb des Eintritts befindet, nur eine kleine axiale Geschwindigkeit aufweist. In Fig.4A ist eine Vektorprojektion gezeigt, die denjenigen der F i g. 3 und 4 ähnlich ist, jedoch für eine Umfangsoberfläche mit der Rotorachse als Mittelpunkt gilt. Die Vektorsumme der Axialkomponente 4C und der Tangentialkomponenie 8C ist !4C. Ähnliche Ansichten der anderen Vektoren zeigen den Relativweg des Flüssigkeitsteilchens in bezug auf den Rotor in dieser abgewickelten Radialansieht

Eine nähere Prüfung der F i g. 4 ergibt, daß für die darzustellenden Vektoren die anfängliche negative, tangentiale Relativgeschwindigkeit 8Cerforderlich ist. Diese negative Geschwindigkeit läßt sich leicht durch die ω richtige Wahl der Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen 3 erzeugen. Wenn jedoch eine andere Düsengeschwindigkeit in bezug auf die tangential Rotorgeschwindigkeit benutzt werden soll, so läßt sich dies bewerkstelligen und danach die Strömung in unmiueibarer Nachbarschaft des Rotoreintritts in die gewünschte Richtung ablenken.

Um diese Ablenkung zu bewirken, weist jede Schaufel 10 eine in Fig. 3 mit 9 bezeichnete Krümmung auf, die am Anfang das durch die Eintrittsöffnungen den durch den Rotor führenden Kanälen zuströmende Gas aufnimmt und die Strömung im wesentlichen am Eintritt so ablenkt, daß sie die verlangte negative Anfangstangentialkomponerite der Relativgeschwindigkeit aufweist. Eine solche Änderung der Richtung ruft natürlich eine auf jedes beliebige suspendierte Flüssigkeitsteilchen einwirkende Kraft lotrecht zur Stromlinie hervor. Die Dauer einer solchen Krafteinwirkung ist jedoch klein, so daß ihre Wirkung vernachlässigt werden kann. Die übrige Darstellung in Fig. 5 gleicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten, wobei die Strömung durch die Kanäle zwischen den gekrümmten Abschnitten 10 der aufeinanderfolgenden Schaufeln 13 und zwischen der Scheibe 16 des Rotors und der Abdeckung 12 erfolgt. Diese Strömung tritt durch die Eintritte 17/4 von Fi g. 5 ein und wird durch die Austritte 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 Flüssigkeitsteilchen einwirken, parallel zur Stromlinie halten, wenn sich das Flüssigkeitsteilchen durch den Rotor hindurchbewegt.

Die Steuerung der tangentialen Geschwindigkeit und die im obigen in bezug auf die Radial-Axialebene beschriebene Steuerung werden gleichzeitig durchgeführt. 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 Anfangskomponente 4Cder 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 so ausgerichtet wird, daß das Flüssigkeitsteilchen einer Stromlinie durch den Rotor folgt, ohne daß die Flüssigkeitsteilchen in erheblichem Umfang auf die Schaufeln aufprallen.

Der in den F i g. 6 und 7 gezeigte Turbinenrotor weist eine sich in radialer Richtung erstreckende Scheibe 16 auf, deren Oberfläche eine der Wände jedes Gaskanals durch den Rotor bildet. Die Scheibe 16 ist mit einer leichten axialen Neigung versehen, so daß das Gas eine geringe axiale Bewegungskomponente 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 ausgestattei. jede Schaufeln 18 siehi entlang der einen Kante mit der benachbarten Oberfläche der Scheibe 16 in durchgehender Verbindung. Die äußersten Teile der entgegengesetzten Schaufelkanten sind vorzugsweise durch einen Abdeckring 12 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 Abdeckungsring 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 17 zu den durch den Rotor führenden Kanälen mit Krümmungen 9 versehen sind, die leicht rückwärts und in radialer

Richtung nach außen geneigt sind, so daß das Gas in den Rotor mit einer Tangentialgeschwindigkeit eingeblasen werden kann, die etwas größer ist ais diejenige der äußeren Abschnitte des Rotors, an denen sich die Eintritte

17 zu diesen Kanälen befinden. Die äußersten Abschnitte der Schaufeln 18 sind dann im Anschluß daran nach hinten derart gekrümmt, daß sich die Schaufeln von einem Punkt, der von den Eintritten 17 zu den Kanälen nach innen zu einen geringfügigen Abstand aufweist, in Richtung nach innen immer steiler nach hinten krümmen. Somit ist die Tangentialgeschwindigkeit des Gases in diesen Kanälen von einem Punkt, der sich unmittelbar neben und innerhalb der Eintritte 17 befindet, etwas kleiner als die des Rotors an diesem Punkt. Wenn sich die Gase nach innen bewegen, werden sie in zunehmendem Maße in tangentialcr 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 Rotor 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 F i g. 6 und 7 gezeigten Ausführungsform findet der Gasaustrag aus den durch den Rotor führenden Kanälen in axialer Richtung statt. Die Scheibe 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 18 zusammenfällt, und sie ist an den Innenkanten der Schaufeln

18 untrennbar befestigt. Zur Lagerung des Rotors auf einer geeigneten Welle kann irgendeine passende Öffnung 20 in der Nabe 19 vorgesehen werden.

In den F i g. 6 und 7 weist die Wandung der Scheibe 16, die 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 Rotor, wie er in F i g. 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 117 der Rotorkanäle 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 Schaufell. 118 austreten. Im Falle dieses Rotors wie auch im Falle des in den F i g. 6 und 7 gezeigten Rotors sind die Eintritte 117 rund um den äußeren Umfang angeordnet und liegen zwischen einer Scheibe 116 und einer Abdeckung 112, die von der Scheibe 116 in axialer Richtung einen Abstand aufweist, sowie zwischen den Schaufeln 118, die rund um den Umfang des Rotors zwischen der Scheibe 116 und der Abdeckung 112 mit Abstand voneinander 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 nach hinten. Die Querschnitte der Kanäle, die zwischen diesen Schaufeln 118 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 Fig. 6 und 7 sind die Austritte 111 der Kanäle zwischen den Schaufeln 118 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 F i g. 6 und 7 der Fall ist, ohne irgendeine Axialgeschwindigkeit und mit einer nur mäßigen, 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 erst erfolgt, nachdem das Gas zwischen den Schaufein ausgetreten ist.

Zur genaueren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes und zur Erklärung gewisser spezieller Ausführungsformen wird nun auf die Fig. 9A, 9B, 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 Geschwindigkeitskornponente ausgestoßen wird. Der Querschnitt des durch den Rotor führenden Kanals ist so bemessen, daß sich die Geschwindigkeit in der Radial-Axialebene am Austrag auf etwa 61 m/Sekunde erhöht.

Die Kurve A-B in Fig. 10 stellt die Projektion des absoluten Weges in der Querebene (Stirnansicht) dar, dem ein radial äußerstes Element der Strömung bei seinem Durchgang durch den Rotor folgt. Der Anfangspunkt A ist in den F i g. 9A und 9B gezeigt. Wenn das Element von dem Anfangspunkt A sich in Richtung seines Austragspunktes B vorwärtsbewegt, nimmt seine Absolutgeschwindigkeit in der Querebene (F ig. 10) allmählich ab, und die Krümmung seines Pfades steigt allmählich an, d. h. der Krümmungsradius wird kleiner. Diese Kurve ist nicht willkürlich gezeichnet, sondern wurde schrittweise aus den angenommenen Anfangsbedingungen und Voraussetzungen konstruziert, wozu auch die in den Fig.9A und 9B angenommene Schaufelform gehört. Diese letztere Schaufelform wird im folgenden im einzelnen erläutert.
Auf dem Pfad A-Bm Fig. 10 sind in gleichem Zeitintervall aufeinanderfolgende Stationen als ii, f2, f3 usw. markiert. Bei einer repräsentativen 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 Zahi 72 000 markiert, was bedeutet, daß hier eine Zentrifugalkraft herrscht, die das 72 OOOfache 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 Elementes 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 <i, t2 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 repräsentativen Punkten ist ein Vektordiagramm aufgezeichnet, das die resultierende Kraft in dieser Ebene zeigt.

Eine Überprüfung des Weges eines filements entlang dem Pfad A-B in Fig. 10 und ein Vergleich des Weges mit der Schaufelform in F i g. 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 i<, weicht die resultierende Kraft aus ihrer parallelen Lage zur Kanalwand ab, da in diesem Falle eine Abweichung der Schaufelform von dem idealen Verlauf (gestrichelte Linie) zu einem praktikableren Verlauf (gepunktete Linie) vorliegt. Diese Abweichung erfolgt in Richtung von der Vorderwand des Kanals weg, in die Hauptströmung hinein, was erwünscht ist, weil die Strömung das Element durch den Kanal hindurchtreibt.

Ein wesentliches Merkmal dieser Schaufelform und der Arbeitsweise der Schaufel besteht darin, daß dann, wenn die Strömung ein Flüssigkeitsteilchen mitreißt, das klein genug ist, um mit der Strömung bei einer nur mäßigen Abtrift, sogar unter der Wirkung großer Beschleunigungskräfte mitgerissen zu werden, dieses Flüssigkeitsteilchen nicht auf die Kanalwand aufprallt. Dies ist bei Flüssigkeitsteilchen der Fall, deren Abmessung Nebelteilchen entspricht, aber auch bei größeren Teilchen unter gewöhnlich auftretenden Bedingungen, und zwar bis zu einem Durchmesser von etwa 0,02 mm.

Im folgenden wird nun nicht wie oben auf ein gasförmiges Element, sondern auf ein mitgerissenes oder eingeschlossenes Flüssigkeitsteilchen Bezug genommen. Die auf ein derartiges Flüssigkeitsteilchen einwirkende Kraft entspricht der im obigen beschriebenen vektoriellen Summe der Kräfte. Bei dieser verbesserten Schaufelform wirkt die Kraft an allen Punkten parallel zur Wand des Kanals oder von der Wand weggerichtet.

Es wird nunmehr der Pfad C-D in F i g. 10 betrachtet, der die Axialprojektion des absoluten Weges eines radial innersten Elementes.der Strömung darstellt, das dem in den F i g. 9A und 9B gezeigten Pfad folgt. Die Projektion dieses Pfades in Fig. 10 ist ebenfalls mit Kraftvektordiagrammen versehen, die an repräsentativen 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 f|₀ parallel zu den resultierenden Vektoren verläuft Zum Zeitpunkt <io verläuft dieser resultierende Vektor, wie in F i g. 9A gezeigt unter einem Winkel zwischen 45 und 60° zu einem Radius. Zwischen dem Zeitpunkt ί_ί0 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 Flüssigkeitsteilchen gegen die Wand. 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 notwendic sind, standhalten. Deshalb stellt die Schaufelform einen Kompromiß dar, der in der Nähe dieser Bedingung liegt. Es ergibt sich jedoch eine Verbesserung, die das Problem der geringen Flüssigkeiisteilchenbewegung in Richtung auf die Wand löst. Sie besteht darin, daß dieser Teil des Kanals an diesem in F i g. 11 gezeigten Punkt beendet wird.

FJne weitere Verbesserung, die zur Lösung desselben Problems beiträgt, besteht darin, daß an der äußeren Kante der Schaufel, wie in den Fig. 9A und 9B gn/.cigi

ίο ist, eine Lippe 20 vorgesehen wird. Die Lippe behindert den Gasstrom in der Nähe der Vorderwand des Kanals, wobei der Gasstrom beinahe zum Stillsland kommt. Die nahezu ruhende Strömung überläßt jedes beliebige suspendierte FlüäSigkeilsteilchen nur einer radialen Zcntrifugalkraft Wenn dieses Flüssigkeitsteilchen sich radial nach außen bewegt, verliert es an Winkelgeschwindigkeit und bewegt sich von der Wand fort in die Strömung hinein, die es dann hinwegträgt. Falls es sich in Richtung auf den Austrag weiterbewegen und auf die Lippe 20 aufprallen sollte, dann können sich die Flüssigkeitsteilchen auf der Lippe 20 sammeln, jedoch wird die Zentrifugalkraft jedes Flüssigkeitsteilchen radial nach außen auf die Oberfläche in Richtung auf die äußere Kante tragen. An dieser Stelle wird das Flüssigkeitsteilchen unter der Wirkung der Zentrifugalkraft die Lippe 20 verlassen und 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 20a der Lippe 20 weggeschleuderte Flüssigkeitsteilchen in den Austrittskanal eintritt und den Rotor nicht berühren kann.
In Fig.9B ist die Projektion des Pfades des Elementes der Strömung in einer Axial-Radialebene dargestellt, wobei der Pfad gekrümmt ist. Dadurch wird das Flüssigkeitsteilchen in radialer Richtung von der konvexen Seite des Pfades weggedrückt. Im Falle des Pfades A-B ist dies erwünscht, weil dadurch das Flüssigkeitsteilchen nach außen in die Hauptströmung hineingeschleudert wird, so daß es aus dem Austrag ausgeschwemmt wird.

Bei dem Pfad C-D, der sich in der Nähe der Innenwand des Kanals befindet, ist dies unerwünscht, obgleich die Kräfte klein sind. Durch eine solche Wirkung werden die Flüssigkeitsteilchen dazu gebracht, auf die Scheibe 16 des Rotors aufzuschlagen. Dies geschieht jedoch in der Nähe des Rotormittelpunktes, so daß dieser Bereich nicht groß, die betroffene Gasmenge klein und die Kräfte unbedeutend sind.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird an der Austragskante der Scheibe 16 eine sich radial erstrekkende Lippe 2i angeordnet, wie in F i g. 9A gezeigt ist. Dadurch wird wiederum auf der Anstromseite der Lippe 21 eine beruhigte Zone geschaffen und bewirkt, daß die auf die in dieser Zone befindlichen Flüssigkeitsteilchen einwirkende Kraft von der Scheibe 16 weg und in die auszutragenden Hauptströmung hineingerichtet wird. Jedes Flüssigkeitsteilchen, das aus der Hauptströmung in diese beruhigte Strömungsschicht eindringt wird in gleicher Weise zurückgeworfen.

Bei einer anderen Ausbildung dieser Ausführungsform werden auf dieser Scheibe 16 Rippen 22 (F i g. 9B) angeordnet so daß die sich dort sammelnde Flüssigkeit nicht auf der Scheibe 16 entlang in Richtung auf den Eintritt des Rotors hochkriechen kann, sondern aufgrund der Zentrifugalkraft von den Scheiteln der Rippen 22 nach außen in die Hauptströmung abgefördert und durch den Ausirag ausgeschwemmt wird. Dadurch

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wird auch aie beruhigte Schicht vergrößert und stabilisiert.

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

Für den Fall, daß Flüssigkeitsieilchen auf eine Rippe Zi auftreffen, wird sie die Zentrifugalkraft radial nach außen schleudern, wodurch eine negative Winkelbeschleunigung auf die Flüssigkeitsteilchen ausgeübt wird, so daß sie die Oberfläche verlassen und sich in der Hauplströmung wiederfinden. 1 ^r>

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenrotor zur Expansion von Gasen, in denen während der Expansion durch Kondensation Flüssigkeitströpfchen bis zu einem Durchmesser von etwa 0,02 mm entstehen, während das Gas mechanische Energie abgibt, mit einem in bezug auf die Achse symmetrischen Rotorkörper, der eine Reihe Kanäle aufweist, die rund um seinen Umfang mit Abstand angeordnete Gaseintrittsöffnungen besitzen und sich vom Eintritt zum Austritt radial erslrekken und dadurch während der Drehbewegung des Rotors eine Strömung mit einer radial nach innen gerichteten Geschwindigkeitskomponente sowie einer tangentialen Geschwindigkeitskomponente erzeugen, so daß ein Gasteilchen sich bei seiner Strömung nach innen auf einer spiralförmigen Bahn bewegU wobei die Krümmung dieser Bahn eine Zentrifugalkraft senkrecht zur Bahn erzeugt sowie eine Geschwindigkeitsminderung des Teilchens im Kanal, während seine Radiallage im Kanal zum Drehungsmittelpunkt eine Verzögerungskraft entstehen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Tangentialgeschwindigkeit des Gases in den Kanälen an einem Punkt, der sich in der Nähe des Eintritts befindet, etwas kleiner als die des Rotors an diesem Punkt ist, und daß die Rotorschaufeln (13, 18) so gekrümmt sind, daß die von ihnen gebildeten Kanalwände an jeder Stalle über einen wesentlichen Teil der gesamten Kanallänge parallel zu dem an dieser Stelle auf die Flüssigkeitströpfchen (7) und Gasteilchen einwirkenden resultierenden Vektor der sich ergebenden Zentrifugalkräfte und tangential zur Strömung gerichteten Kräfte verlaufen.

2. Gasturbinenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkanten der Austragsenden der die Kanäle (11) begrenzenden Schaufeln (18) sich in axialer Richtung über die Außenkanten hinaus erstrecken.

3.Gasturbinenrotor nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß sich die Außenkanten der Aussagenden der die Kanäle (11) begrenzenden Schaufeln (18) in axialer Richtung über ihre Innenkanten hinaus erstrecken.

4. Gasturbinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragskante jeder die Kanäle (11) begrenzenden Schaufel (18) eine hintere überhängende Lippe (20,20a; aufweist.

5. Gasturbinenrotor nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Begrenzung der Austragsöffnung jedes Kanals (11) eine überhängende Lippe (21) aufweist.

6. Gasturbinenrotor nach einem der Ansprüche 1,

2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand jedes Kanals mit Querrippen (22) versehen ist.

7. Gasturbinenrotor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder G, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand jedes Kanals mit radialen Rippen (2.3) versehen ist.