DE19938024C1

DE19938024C1 - Radial turbine/fan has structured channels for compression or relaxation gas flows giving an increased power rating

Info

Publication number: DE19938024C1
Application number: DE1999138024
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Sziede
Original assignee: SZIEDE KARL HEINZ
Current assignee: SZIEDE KARL HEINZ
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2019-08-12

Abstract

The radial turbine structure, for the compression or expansion of gases as a gas turbine and the like, has its gas flow in the compressor function moving from the center outwards through the turbine paddles. The gas flow is from the outside towards the center, if the gas is to be relaxed. The channel (3) shrouding at the inflow and outflow takes over the function of a guide grid, at a gap from the paddles which is equal to 1.5-2.0 times the paddle interval. The channels (3) take the same paddle vol. from the inflow to the outflow once or more times in closed channel loops (R). The paddle shrouding block (5) has take-off channels (6) at intervals of 0.5-1.0 times the paddle width from the start, in the direction of rotation. One or more recessed zones, with a round or oval shape, are at the paddle edge zones across the line of paddle movement at a max. angle of 45 deg . They give a fixed rotation center point with gas guides from the side zone, as peaks with and without a channel or round/elliptical guide rods.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Strömungsmaschinen allgemeiner radialer Bauart, Radialturbinen und Gebläse in ihrer Funktion Gase zu verdichten und zu entspannen, so wie sie in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden, zum Beispiel in Turboverdichtern und Gebläsen für industrielle Zwecke. Es besteht aber auch die Möglichkeit diese Lösung für Gasturbinen oder auf Bereiche davon anzuwenden.The invention relates to flow machines of a general radial type, radial turbines and blowers in their function of gases condense and relax, as used in many areas of technology in, for example, turbo compressors and blowers for industrial purposes. It but there is also the possibility of this solution for gas turbines or on areas to apply.

Radialturbinen werden in vielen Bauformen ausgeführt und zur Leistungssteigerung sind viele unterschiedliche Maßnahmen eingesetzt worden. Zum Beispiel gibt es Radialturbinen, die mit 100000 U/min arbeiten oder die speziell geführte Gasströme im Einlaß oder und Auslaßbereich des Turbinenrades haben.Radial turbines are available in many designs and to increase performance many different measures have been used. For example there is Radial turbines that work at 100,000 rpm or the specially guided gas flows in the Have inlet or and outlet area of the turbine wheel.

Bekannt ist aus der DE-AS 11 05 881 eine Radialturbine mit teil beaufschlagtem, zunächst einwärts und danach aus wärts durchströmtem Laufrad und mit innerhalb des Laufrades angeordnetem Leitapparat für die zweite Durchströmung, der zum Laufrad koaxial ist und am Umfang zwischen den Eintritts- und den Austritts öffnungen seiner Leitkanäle eine zylindrische Fläche bildet und nur engen Spalt zum Laufschaufelkranz zuläßt.A radial turbine with part is known from DE-AS 11 05 881 acted upon, first inwards and then out flow through the impeller and with inside the Impeller arranged for the second Flow that is coaxial to the impeller and Scope between entry and exit openings of its guide channels a cylindrical surface forms and only allows a narrow gap to the blade ring.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, über in Kanälen geführte Gasströmungen gezielte Effekte zu erzeugen, die eine Leistungssteigerung ermöglichen. Es gibt im erweiterten Sinne eine Anlehnung an Verfahren, die bei Elektromotoren angewendet werden.The object of the present invention is via gas flows conducted in channels create targeted effects that enable performance to be increased. There is in extended sense a leaning on procedures used in electric motors become.

Die eingesetzte Verfahrensweise ermöglicht es, Radialturbinen effektiver einzusetzen und neue Möglichkeiten zu erschließen. Durch eine veränderte Gasführung (oder des Arbeitsmediums) in der Turbine kann eine wirkungsvollere Verdichtung und Entspan nung erreicht werden. Während man den Durchfluß und den Druckaufbau in einer Radialturbine normaler Bauart als Parallelschaltung betrachten kann, wird bei dieser Ausführung eine Kombi nation von Reihenschaltung und Parallelschaltung der einzelnen Sektoren des Arbeits feldes, der Schaufeln und des Leitgitters möglich. Diese Anordnung gibt dem Konstrukteur die Möglichkeit einen erzwungenen hohen Gasdurchlauf im Arbeitspunkt zu erreichen, der gleichzeitig hohe Energieumsätze ermöglicht. Die Reihenschaltung der Sektoren erfordert einige Hilfsmaßnahmen die noch angeführt werden, die aber die Anwendungsmöglichkeiten für radiale Turbinen erweitern. Die große Variationsbreite ist eine Besonderheit dieser Lösung, deshalb beziehen sich die Angaben nur auf das Prinzip die Grundlösungen.The procedure used makes it possible to use radial turbines more effectively and open up new opportunities. By changing the gas flow (or the Working medium) in the turbine can be a more effective compression and expansion can be achieved. While the flow and pressure build-up in one Radial turbine of normal design can be considered as a parallel connection, this version is a station wagon Nation of series connection and parallel connection of the individual sectors of the work field, the blades and the guide grill possible. This arrangement gives the Designer the possibility of a forced high gas flow in the working point to achieve, which enables high energy sales at the same time. The series connection of the sectors requires some relief measures which will be mentioned, but which Expand applications for radial turbines. The wide range of variations is a special feature of this solution, therefore the information only refers to the Principle the basic solutions.

In dem zeichnerischen Beispiel wurde für das Turbinenrad (2) eine Lösung gewählt bei der auf einer Scheibe (1) ein Kranz von Laufschaufeln (4) angebracht ist. Das Leitgitter innen, in diesem Fall die zuführenden Kanäle (3), sind unbeweglich von außen in den Kranz (2) hineingeführt und werden auch von dort gehalten. Das Leitgitter außen ist ebenfalls unbeweglich und es wird in diesem Fall als Strö mungskanal (3) genutzt. An besonderen Stellen des Drehfeldes sind Hilfsleitgitter (7) angebracht, die dort besondere schwierige Strömugsprobleme bewältigen. Eine weitere Funktion wird im Block (5) erfüllt, der beim Durchlauf der Schaufeln das Gas einschließt und hier eine Drehschieberhilfsfunktion erfüllt, wobei der Druck über die Blockkanäle (6), als (Ph) hoher Druck und (Pn) niedriger Druck in Druckstufen geleitet werden kann. Der Durchlauf kann baulich verlängert werden so, daß mehrere Druckstufen angeschlossen sein können. Über diesen Block kann jeder beliebig hohe Druck sinnvoll abgebaut werden, der als Restdruck immer zwischen den Schaufeln ver bleibt.In the drawing example, a solution was chosen for the turbine wheel ( 2 ) in which a ring of rotor blades ( 4 ) is attached to a disc ( 1 ). The guide grille inside, in this case the supply channels ( 3 ), are immovably guided into the rim ( 2 ) from the outside and are also held from there. The guide grill outside is also immobile and it is used in this case as a flow channel ( 3 ). Auxiliary baffles ( 7 ) are attached to special points of the rotating field, which cope with particularly difficult flow problems there. A further function is performed in block ( 5 ), which traps the gas when the blades pass through and here performs a rotary slide auxiliary function, the pressure being passed via the block channels ( 6 ) as (Ph) high pressure and (Pn) low pressure in pressure stages can be. The flow can be structurally extended so that several pressure levels can be connected. This block can be used to sensibly reduce any high pressure that remains as a residual pressure between the blades.

Für vereinfachte Lösungen bieten sich andere Hilfsfunktionen an, die in Ansicht 2 und 3 gezeigt werden. Ein Teil des Restdrucks wird zur Startbeschleunigung des Gases nach Durchlaufen des Blocks (5) genutzt, er wird hier als (Pn) bezeichnet.Other auxiliary functions are available for simplified solutions, which are shown in View 2 and 3 . Part of the residual pressure is used to accelerate the gas after passing through block ( 5 ), it is referred to here as (Pn).

Der Druck baut sich in den Kanälen (3), vom Start in die Drehrichtung (U), über das Drehfeld auf und ist hier in Druckstufen (A-H) angegeben. Die Kanäle (A) sind als Ansaugbereich gekennzeichnet. Nach dem vollen Durchlauf einer Umdrehung wird mit dem Eintritt in den Block (5) ein Stopp des Gasstromes erreicht, und auch der höchste Druckpunkt überschritten.The pressure builds up in the channels ( 3 ), from the start in the direction of rotation (U), via the rotating field and is specified here in pressure levels (AH). The channels (A) are marked as suction areas. After one revolution has been completed, the gas flow is stopped by entering block ( 5 ) and the highest pressure point is also exceeded.

Der Ansicht 1 ist noch ein Funktionselement hinzugefügt, das im Kanal (R) erkennbar ist. Hier wird durch einen Kurzschluß (9), des Ausgangs mit dem Eingang, eine Rotationsströmung erzeugt, die sich durch ihre Gasbeschleunigung auf die Druckstufe 1 mit auswirkt und den Ausgangsbereich Einlaßkanäle (A) rechts und links davon mit beschleunigt.A function element is added to view 1 , which can be seen in channel (R). Here, a short circuit ( 9 ), the output with the input, generates a rotary flow, which due to its gas acceleration affects pressure stage 1 and accelerates the outlet area of the inlet channels (A) to the right and left of it.

Ein paar weitere Besonderheiten sind in den Ansichten 2, 3 und 4 dargestellt. In der Ansicht 2 ist als Besonderheit der Block 5 verkleinert und nur als Strömungselement ausgeführt (für einfache Lösungen). A few other special features are shown in views 2 , 3 and 4 . In view 2 , block 5 is reduced as a special feature and is only designed as a flow element (for simple solutions).

In der Ansicht 3 wird ein Wirbelströmungsverdränger (10) dargestellt. Dieser Verdrän ger entsteht durch ein runde oder elliptische Aushöhlung die quer zur Strömung verläuft. Dieser Wirbel (10) wird seitlich dargestellt, mit dem Blick auf das Rotations zentrum. Mit dem Durchlauf der Schaufel an dieser Aushöhlung entsteht ein Rotations feld. Die Eigenrotation bewirkt, daß in diesem Bereich Druckschwankungen entstehen, die das Gas nach unten in die Druckstufe des letzten Kanal drücken. Erkauft wird dieser Vorteil durch einen erhöhten Bewegungswiederstand in dem Gasstrom. Die Rotations geschwindigkeit ist sehr hoch und kann über das Zehnfache der Eigenrotation betragen. Diese Rotationsfelder könnten auch seitlich an der Abdeckung angebracht werden und sollten parallel zur Achse der Schaufel verlaufen. Die Ansicht 4 zeigt eine Möglichkeit, die Sektoren des Arbeitsfeldes mit der Hilfsfunktion Drehschieber zu nutzen, indem ein Austausch des Gases durch die Strömungsschleife (11) erfolgt. Zum Beispiel kann Luft in den Kanälen (3) einströmen, und die Schaufelelemente füllen. Durch die Drehbewe gung wird die Luft transportiert und in der Strömungsschleife (11) von verbranntem und heißem Gas durch die Eingangsströmung (12) ersetzt. Der Vorteil ist hier die Drucker höhung, da die Verbrennung in einem geschlossenem System erfolgt und der Gleichraumverbrennung im Kolben gleicht. Das heiße Gas wird dann über den Block (5) und den Blockkanälen (6) in Druckstufen geleitet und dort mit einem Arbeitsgewinn entspannt. Die Ansicht 1 stellt die einzelnen Elemente vor. Diese Lösung wurde in erster Linien vom zeichnerischen Standpunkt gewählt.In view 3 , a vortex flow displacer ( 10 ) is shown. This displacer is created by a round or elliptical cavity that runs across the current. This vortex ( 10 ) is shown laterally, with a view of the center of rotation. As the blade passes through this cavity, a rotating field is created. The self-rotation causes pressure fluctuations in this area, which push the gas down into the pressure stage of the last channel. This advantage is paid for by increased resistance to movement in the gas flow. The rotation speed is very high and can be over ten times the self-rotation. These fields of rotation could also be attached to the side of the cover and should run parallel to the axis of the blade. View 4 shows a possibility of using the sectors of the working area with the auxiliary function rotary slide valve by exchanging the gas through the flow loop ( 11 ). For example, air can flow into the channels ( 3 ) and fill the blade elements. By the rotary movement, the air is transported and replaced in the flow loop ( 11 ) of burned and hot gas by the input flow ( 12 ). The advantage here is the pressure increase, since the combustion takes place in a closed system and is equal to the combustion in the piston. The hot gas is then passed through the block ( 5 ) and the block channels ( 6 ) in pressure stages and expanded there with a gain in work. View 1 presents the individual elements. This solution was chosen primarily from the drawing point of view.

Eine günstigere Kombination wäre eine Turbine mit einem Wechsel von Rotationsbe reichen (9) und Ansaugkanälen (A) in paralleler Schaltung. Die Rotationsströmung (9) speist die Gasmenge in die Eingangsströmung (12) zurück, gegen die Laufrichtung der Schaufeln und bewirkt damit, das hier Druckbereiche entstehen, die das angesaugte Gas wirkungsvoll beschleunigen. Schon diese einfache Lösung kann sehr wirkungsvoll die Möglichkeiten zeigen, die gezielt eingesetzte Strömungsschleifen haben. Die verstärkte Anströmung der Schaufeln erfordert eine Innenkrümmung der Schaufeln (4) und eine der Drehrichtung nachlaufende Achse. Eine weitere Möglichkeit wäre folgende Lösung. Die 1. Stufe wird in zwei parallelen sich erhöhenden Druckstufen (A-H) betrieben, die zweite Stufe in vier parallelen und sich erhöhenden Druckstufen und erst die letzte Stufe wird noch höher aufgeteilt. In dieser letzten Stufe können mehrere Kanäle im Start und Ansaugbereich zusammengeschalten werden.A cheaper combination would be a turbine with a change from Rotationsbe rich ( 9 ) and intake channels (A) in parallel. The rotary flow ( 9 ) feeds the amount of gas back into the inlet flow ( 12 ), counter to the direction of rotation of the blades, and thus causes pressure areas to arise which effectively accelerate the sucked-in gas. Even this simple solution can very effectively show the possibilities that targeted flow loops have. The increased flow against the blades requires an internal curvature of the blades ( 4 ) and an axis that follows the direction of rotation. Another possibility would be the following solution. The first stage is operated in two parallel increasing pressure stages (AH), the second stage in four parallel and increasing pressure stages and only the last stage is divided even higher. In this last stage, several channels can be connected in the start and suction area.

Das Druckverhältnis einer Stufe sollte unter 2 gehalten werden, da sonst die Entspan nungsverluste zu groß werden und nicht mehr vernünftig umgesetzt werden können. Bei diesem System wird das Beharrungsvermögen der Strömung, in einem geschlosse nem Kanal (3) genutzt. Dadurch können sich Bereiche im Drehfeld überschneiden, ohne das die Strömung in dem Kurzzeitbereich die Richtung ändern kann. Das Arbeits feld (8) wird durch den Abstand der Schaufeln (4) gebildet und umfaßt den Bereich der Eingangsströmung (12) bis zur Ausgangsströmung (13) eines Schaufelpaares in die Kanäle. Das Arbeitsfeld (8) ist die kleinste Einheit, in der sich mit dem drehen der Schaufeln die Arbeitszyklen wiederholen.The pressure ratio of a stage should be kept below 2, otherwise the relaxation losses become too great and can no longer be implemented properly. In this system, the steadfastness of the flow is used in a closed channel ( 3 ). This allows areas in the rotating field to overlap without the current in the short-term area being able to change direction. The working field ( 8 ) is formed by the distance between the blades ( 4 ) and includes the area of the inlet flow ( 12 ) to the outlet flow ( 13 ) of a pair of blades in the channels. The working area ( 8 ) is the smallest unit in which the working cycles are repeated when the blades are turned.

Die kanalgeführte Schleifenströmung ist eine Möglichkeit die Wirkung von Radialturbi nen zu erhöhen und deren Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. The channel-guided loop flow is one way the effect of radial turbos to increase and expand their possible uses.

Reference list

11

Scheibe
disc

22nd

Kranz mit Schaufeln
Wreath with shovels

33rd

Kanäle
channels

44th

Schaufeln
Shovels

55

Block
block

66

Block und Ableitkanäle
Block and discharge channels

77

Hilfsleitelement
Auxiliary guide

88th

Arbeitsfeld, Einlaß, Auslaß
Working area, inlet, outlet

99

Rotation
rotation

1010th

runde bis elliptische Aushöhlung
round to elliptical cavity

1111

Strömungsschleife
Flow loop

1212th

Eingangsströmung
Inlet flow

1313

Ausgangsströmung
Output flow

1414

Haltepunktkanal
Breakpoint channel

1515

Ausrichtungsachse für den elliptischen Wirbelverdränger
A Ansaugbereich
(B-H) Druckstufen
H höchster Druck
Ph hoher Druck
Pn niedriger Druck
U Drehrichtung
R Rotationskanal
Alignment axis for the elliptical vortex displacer
A suction area
(BH) pressure levels
H highest pressure
Ph high pressure
Pn low pressure
U direction of rotation
R rotation channel

Claims

1. Fluid flow machine of radial design for compressing and releasing gases, as a component with a wheel, a housing and guide grids. In combination as a gas turbine or as part of it, characterized in that

a) that their gas flow, in the function as a compressor, is conducted outwards over the blades and away from the center and in their task of relaxing, the flow must flow from the outside inwards over the blades to the center,
b) that the channel casing ( 3 ) takes over the function of the guide vane in the inlet and outlet area and that it is the same size as the blade spacing, in that it comprises one and a half or two blade spacings and that the channels ( 3 ) once or several times in direct connection ( R), as closed channel loops, from the blade outlet to the blade inlet of the same blade volume,
c) that the blades pass through enclosed areas ( 5 ) which have one or more discharge channels ( 6 ) at the blade spacing in the positions one and a half to one blade width, starting from the beginning in the direction of rotation,
d) that in the edge area of the blades, transversely to the blade movement and deviating therefrom with a maximum inclination of 45 °, there are one or more round to elliptical hollows ( 10 ) which have a fixed center of rotation due to their shape and which are made in the center of rotation with gas guiding aids the side area, tips with and without channel ( 14 ) or round to elliptical guide rods.

2. A turbomachine according to claim 1, characterized in that that the channel loops in the counting sequence of the direction of rotation, starting from direct flow area (R), the entrance to the exit same Bucket volume two bucket widths before to two bucket widths behind the direct flow (R) staggered once or several times are inserted.

3. A turbomachine according to claim 1 or 2, characterized in that that the channels outside the inflow and outflow area in their shape and Length can be changed.

4. A turbomachine according to one of claims 1 to 3, characterized in that this round to elliptical cavity ( 10 ) on the lateral inner surfaces are rounded to spherical.