DE19523661A1

DE19523661A1 - Turborotor

Info

Publication number: DE19523661A1
Application number: DE1995123661
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft einen selbsttragenden Turborotor für mehrstufige Pumpen, Gebläse, Verdichter und Francisturbinen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung hoher Drücke bei einer Bau länge, die kürzer als die herkömmlicher, mehrstufiger Turbo maschinen mit einzeln auf einer Vollwelle angeordneten Rädern ist, und mit dem sich das aufwendige Eintrittsleitrad von Francisturbinen erübrigt.

Bekannt sind mehrstufige Pumpen, Gebläse und Verdichter - im folgenden nur Pumpen genannt - mit Einzelrädern auf einer Voll welle, die meist durch ein- oder beidseitige Dichtungen nach außen tritt. Diese Einzelräder sind immer zentrifugal durch strömt, wobei der Austritt des ersten mit dem Eintritt des fol genden über Leitvorrichtungen, die den Drell herausnehmen, ver bunden ist. Solche Maschinen werden lang und benötigen sehr viele Einzelteile, die alle sehr präzise gefertigt und zusam mengefügt werden müssen. Bei Gebläsen verursachen die hohen Drehzahlen Festigkeits- und Schwingungsprobleme (kritische Dreh zahlen).

Francisturbinen in Großkraftanlegen werden immer mit Wellen durchführung und insbesondere mit Eintrittsleitschaufeln, deren Regelung aufwendig ist, gebaut. Die Eintrittsleitschaufeln läßt man nur bei Kleinturbinen für untergeordnete Zwecke ent fallen. Normalerweise werden Francisturbinen einstufig gebaut. Es gibt aber euch kleinere mehrstufige Maschinen, bei denen die auf einer Vollwelle sitzenden Einzelräder alle zentripetal durchströmt werden, und Leitvorrichtungen die Stufen mitein ander verbinden.

Dampfturbinen eignen sich nicht, um den Gegenstand der Erfindung bei ihnen anzuwenden.

Erwähnt seien trotzdem zwei Bauarten: 1. Die Ljungströmturbine mit mehreren radialen, gegenläufigen Laufschaufelkränzen auf verschiedenen Durchmessern. 2. Die nach /1/ bekannten, ein zeln auf einer nach außen abzudichtenden Welle angeordneten Zentrifugal- und nachfolgenden Zentripetalräder, bei denen Lauf- und Leitschaufeln auf verschiedenen Durchmessern an geordnet sind.

Der Anmelder entdeckte durch seine zurückgezogene Anmeldung P 42 03 359.4-15 die großen hydraulischen Vorteile einer re dial beginnenden Pumpenbeschaufelung im Verbund mit einem ro tierenden Eintrittsrohr gegenüber konventionellen Laufrädern.

Diese, bei einstufigen Pumpen einfach zu nutzenden Vorteile, sollen mit dem Gegenstand der Erfindung auch bei mehrstufigen Pumpen und Francisturbinen Anwendung finden, weshalb die erste Stufe bei Pumpe sowie Turbine mit radial beginnenden Zentri fugalschaufeln 1.1 und 1.2 (Fig. 1 bis 3) bestückt ist.

Dadurch kann bei Francisturbinen das Eintrittsleitrad mit seiner aufwendigen Regelung entfallen. Die Laufschaufeln werden nicht wie üblich alle zentripetal, sondern im Wechsel mit zentrifugal durchströmt, wobei die radial beginnenden Schaufeln der ersten Stufe 1.2 (Fig. 2) zentrifugal durchströmt werden. Sie erzeugen im rohrförmigen, schaufellosen, aus der äußeren Rotationswand 5 (Fig. 2) gebildeten Zuströmteil, genau wie die Pumpenschaufeln 1.1 (Fig. 1 und 3), einen Schraubenstrom, bestehend aus der achs parallelen Komponente 5.1 und der drehzahlentsprechenden Umlauf komponente 5.2 (Fig. 1 bis 3), der bei jedem Volumenstrom stoß frei eintreten kann. Das achsperallel zum Eintritt strömende Medium mischt sich verlustarm und leise in den Schraubenstrom, ohne im Takt der Schaufelzahl pro Umdrehung zerhackt zu werden.

Will man die Francisturbine mehrstufig bauen, ist es naheliegend, mittels einer Umkehrschaufel 6 (Fig. 2) die nächste Stufe zentri petal zu beaufschlagen, wie dies mit den Schaufeln 2.2 (Fig. 2) geschieht und zwar so, daß die Strömung den Innendurchmesser möglichst drallfrei verläßt.

Genauso naheliegend ist es, die hintere Deckwand der Schaufeln 1.2 (Fig. 2) zentripetal als vordere Deckwand der Schaufeln 2.2 weiterzuführen und so die innere Rotationswand 5 (Fig. 2) zu er halten.

Diese, im Verbund mit den Schaufeln 1.2 und 2.2 und der äußeren Rotationswand 5, stellen einen biegesteifen, selbsttragenden Rotor dar, der radial und axial gelagert in ein hermetisches Ge häuse mit gemeinsamer Achse für Druck- und Saugstutzen paßt. Auf dieser Achse sitzt auch der elektrische Stromerzeuger 7.2 (Fig. 2), der fest mit der äußeren Rotationswand 5 verbunden ist, die ihn antreibt.

So naheliegend die geschilderte Bildung eines selbsttragenden Rotors im Fell der Turbine ist, genauso weit entfernt scheint der Gedanke eines solchen zentrifugal und -petal durchströmten Rotors im Fell der Pumpe, da praktisch nur Zentrifugalpumen bekennt sind.

In /2/ ist auf ein zentripetal durchströmtes Pumpenlaufrad, dessen Vorteile bei Gasförderung, aber euch den Nachteil eines geringeren Wirkungsgrades durch Abdrängung der Grenzschicht in Richtung der Fliehkraft, hingewiesen.

Diese Abdrängung muß euch bei Zentripetalturbinen wirken, wo sie wegen Druckabnahme in Strömungsrichtung und drellfreiem Austritt geringer ausfällt.

Drallfreiheit wird im Gegensatz zu /2/ auch vorteilhaft am Aus tritt der zentripetalen Pumpenschaufeln 2.1 (Fig. 1 und 3) ge wählt.

Dem immer noch geringeren Wirkungsgrad der Zentripetalschaufel stehen entgegen:

1. Der schon beschriebene, sehr verlustarme Einströmvorgang über den Schraubenstrom mit den Komponenten 5.1 und 5.2 (Fig. 1 und 3) in die radial beginnenden Schaufeln 1.1 (Fig. 1 und 3), die kürzer als konventionell nach rückwärts gebo gene Schaufeln sind, läßt diese, bei einfacher und geringer Vorwärtsbiegung, mit besserem Wirkungsgrad eine größere Förderhöhe erreichen als dies konventionell möglich ist.
Die Vorwärtskrümmung ist hier zudem von Vorteil, da sie im Q-H Diagramm eine auf der Abzisse bei u_a²/g beginnende, nach oben weisende Gerede H_thoo ergibt. Damit gleicht sie die steiler als normal nach unten zeigenden Geraden, die sich aus den Schaufeln 2.1 (Fig. 1 und 3) mit kleinem β_a ergeben, aus. Die Schaufeln 3.1 (Fig. 3) mit normalem β_a ergeben normal nach unten zeigende Geraden. Alle im Punkt u_a²/g beginnenden Geraden H_thoo überlagern sich zu einer gemeinsamen Geraden, von der die Minderleistung und die Verluste abzuziehen sind, um die Q-H Linie zu erhalten. Hierbei bedeuten:
u_a . . . Umfangsgeschwindigkeit am Radaußendurchmesser
g . . . Erdbeschleunigung
H_thoo . . . Förderhöhe bei unendlich vielen, unendlich dünnen Schaufeln
Q . . . Fördermenge
H . . . Förderhöhe
2. Die Umlenkung 6 (Fig. 1 und 3) beträgt maximal 180° bei rein redialen Rädern und ist mit un- oder fast ungebogenen Schau feln bestückt. Ihre Strömungsverluste sind geringer als die in Rückführungen von rein radielem, zentrifugalen Austritt zum zentrifugalen Eintritt.
3. Ein Leitapparat am druckseitigen Ende, und damit auch seine Verluste, kann entfallen, da die Strömung drallfrei aus der Schaufel 2.1 tritt.
4. Nach /2/ ist der Eintritt der Zentripetalschaufeln 2.1 gegen über von der Auslegung nach oben abweichende Winkel der Ein trittsströmung unempfindlich.

Die zentrifugale Pumpenschaufel 3.1 (Fig. 3), als normal nach rückwärts gekrümmte Schaufel, wird stoßfrei angeströmt. Der schaufellose, rotierende Ringraum zwischen 2.1 und 3.1 wird auf ein Minimum reduziert oder ganz weggelassen, damit seine reibende Wand das Medium nicht mitschleppt. Beide Schaufeln können auch zu einer einzigen, stetig durchlaufenden Fläche ver bunden, und der Rotor einteilig und ohne Verschraubung 8 (Fig. 3) sein. Analog zu letzterem kann auch die Turbinenschaufel 2.2 (Fig. 2) mit einer ggf. folgenden Schaufel 3.2 verbunden sein.

Impulsmomente drehen nur am Außendurchmesser des Rotors, und zwar bei der Pumpe gegen und bei der Turbine in Drehrichtung.

Die Baulänge wird insbesondere bei Pumpen wesentlich kürzer als bei herkömmlicher Bauweise, da die Umlenkungen 6 auf kürze rem Weg zur nächsten Stufe führen als dies mit konventionellen Leit- und Rückführschaufeln möglich wäre. Ferner tritt das Me dium bereits drallfrei aus der letzten Schaufel 2.1, wodurch eine nachfolgende Leitschaufel entfällt.

Der direkt auf dem Rotor sitzende elektrische Antrieb 7.1 (Fig. 1 und 3) kann durch andere Kraftübertragungsarten ersetzt werden, was auch für den elektrischen Abtrieb 7.2 (Fig. 2) der Turbine gilt.

Literaturhinweise:
/1/ Dubbels Teschenbuch für den Maschinenbau, Bd. 11, 12. Auflage, 1966, Springer-Verlag, Seite 362, Bild 89
/2/ Pfleiderer, Die Kreiselpumpen für Flüssigkeiten und Gase, 5. Auflage, 1961 Springer-Verlag, Seite 235 f.

Claims

1. Turborotor für mehrstufige Pumpen, Gebläse, Verdichter und Francisturbinen zur Erzeugung bzw. Verarbeitung hoher Drücke in biegesteif miteinander verbundenen Kanälen, dadurch gekennzeichnet, daß rein radiele oder diagonale Pumpenschaufeln (1.1, 1.2, 1.3, ff.) oder Turbinen schaufeln (1.2, 2.2, ff.) starr mit den inneren und äußeren Rotationswänden (5) zu einem selbsttragenden Rotor verbunden sind, der nach der Zuströmung in seinem rohr förmigen, schaufellosen, aus der äußeren Rotationswand (5) bestehenden Teil zentrifugal beginnend im Wechsel mit zentripetal durchströmt wird, wodurch seine Baulänge kürzer wird als die eines herkömmlichen Rotors. Der Richtungswechsel, der durch den Außendurchmesser aus- und eintretenden Absolut strömung, erfolgt mittels Umlenkschaufeln (6).

2. Turborotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium drallfrei in die Zentrifugalschaufeln (1.1, 3.1 und 1.2) eintritt und drallfrei aus den Zentripetalschaufeln (2.1 und 2.2) austritt, weshalb bei Wahl einer Zentripetalschaufel als Endschaufel, insbesondere bei Pumpen, keine Leitschaufel, die Baulänge benötigt und mit Energieverlusten behaftet ist, zum drellfreien Austritt nachfolgen muß. Impulsmomente drehen nur am Außendurchmesser der Pumpenschaufeln (1.1, 2.1 und 3.1) gegen und am Außendurchmesser der Turbinenschaufeln (1.2 und 2.2) in die Drehrichtung.

3. Turborotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich net, daß am Innendurchmesser der letzten Pumpenschaufel (4.1) ein Impulsmoment gegen die Drehrichtung wirkt, und eine Leit schaufel (6.1) für drallfreien Austritt sorgt.

4. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Francisturbinen das regelbare Eintrittsleit rad überflüssig wird, da der Eintrittsimpuls drehmomentlos durch den Eintrittsquerschnitt des rohrförmigen Zuströmteils (5) geht, in dem die ersten Turbinenschaufeln (1.2) genauso wie die entsprechenden Pumpenschaufeln (1.1) einen Schrauben strom, bestehend aus der achsparallelen Komponente (5.1) und der drehzahlentsprechenden Umlaufkomponente (5.2), erzeu gen, so daß bei radialem Schaufelbeginn jeder Volumenstrom stoßfrei eintreten kann. Das achsparallel zuströmende Medium mischt sich verlustarm und leise in den Schraubenstrom, ohne im Takt der Schaufelzahl pro Umdrehung zerhackt zu werden.

5. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Austrittswinkel der zentripetalen Pumpen schaufel (2.1) gleich dem Eintrittswinkel der zentrifugalen Pumpenschaufel (3.1) ist, und dies auch bei den entsprechen den Turbinenschaufeln (2.2 und ggf. 3.2) möglich ist.

6. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaufeln (2.1 und 3.1) sowie die Schaufeln (2.2 und ggf. 3.2) zu einer einzigen stetig durchgehenden Schaufelfläche verbunden sind, und der Rotor einteilig und ohne Verschraubung (8) gefertigt ist.

7. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaufeln (1.1 und 2.1) sowie die Schaufeln (1.2 und 2.2) einfach gebogen sind und aus Blech hergestellt werden können, wobei die einfache Biegung der Pumpenschaufel (1.1) vorteilhaft nach vorne erfolgen kann.

8. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der elektrische Antrieb (7.1) sowie der elek trische Abtrieb (7.2) gegen andere Kraftübertragungsarten ausgetauscht werden können.

9. Turborotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß er sich zum Einbau in eine hermetische, kom pakte Francisturbine eignet.