DE202014003915U1

DE202014003915U1 - Resonanzturbine

Info

Publication number: DE202014003915U1
Application number: DE202014003915.1U
Authority: DE
Original assignee: Rainer Schmieg
Current assignee: SCHROEDTER, LIANE, DE
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2014-06-02
Anticipated expiration: 2024-05-07

Abstract

Resonanzturbine dadurch gekennzeichnet daß eine Turbine zum Betrieb mit flüssigen, gas- und dampfförmigen Medien, geeignet ist, die um ihren Rotor, (1), dessen Antriebstaschen, (1.11 und 1.21), zu beiden Seiten in Drehwinkel hälftig gegeneinander versetzt sind und deren Anzahl pro Seite vorzugsweise einer Primzahl entspricht, Baugruppen aus aus spiegelsymmetrisch hergestellten Bauteilen besitzt, das sind – ein oberer, (2), und unterer Kern, (5), – ein oberer, (3), und unterer Laufring, (6), – ein oberer, (4), und unterer Stufenring, (7), – und deren Zubehör- und Verbindungsteile, Dichtringe usw. die oberhalb und unterhalb des des verdrehbaren Rotors, (1) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Bauform einer Turbine, basierend auf einer Weiterentwicklung der, in der DP 44 40 241 C1 beschriebenen Turbine.
Zweck der Erfindung ist die Darstellung einer neuen Turbinenbauform, die sowohl mit Flüssigkeiten als auch mit Dampf und gasförmigen Stoffen betreibbar ist und auch bei hohen Drehzahlen weitgehend wartungsfrei bleibt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine, in der Grösse nahezu beliebig linearisierbare Turbine anzugeben, deren Einzelteile mit bekannter Giessereitechnik herstellbar und bei Verschleiss mit geringem Aufwand mehrfach nachbearbeitbar sind, in die ein angepaßter Generator ohne weitere Lagerung integrierbar ist. Verschleisserscheinungen sollen durch einfache Nacharbeit der Funktionsflächen, die wiederholbar ist kompensierbar sein.
Bekannt sind schnellaufende Turbinen aus der Kernspinresonanztechnik, (NMR-Spektroskopie), die, meist gasgelagert, mit Antriebselementen in der Mitte des Probenhalters oder dessen Ende(n) versehen sind. Diese Turbinen werden bei sehr hohen Drehzahlen, (10–30 kHz), überwiegend in der Werkstoffanalyse eingesetzt.
Des weiteren ist in der DE 724 269 eine Turbine für hohe Drehzahlen beschrieben, deren Detailfunktion im Betrieb, d. h. das Zusammenwirken von Rotorprofilierung und Düse nicht exakt erkennbar sind und möglicherweise bei entsprechender Profilierung des Rotors zur Ausbildung von Schwingungen in der Zuführung des Mediums führen. Inwieweit solche beabsichtigt sind geht aus der Veröffentlichung nicht hervor.
Bei der Weiterentwicklung der, in der DP 44 40 241 C1 zitierten Turbine erwies sich, daß eine sorgfältige, aufwendige Abstimmung des Resonanzsystems auf das Betriebsmedium erforderlich ist. Dies war nur mit grossem Aufwand möglich, weil die Resonatorenform durch die Krümmung des Resonators nicht eindeutig ist. Ausserdem ist die sinnvoll betreibbare Baugrösse der Turbine durch die, mit der Baugrösse zunehmende Masse des Rotors eingeschränkt.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß

a. Die Resonanzdüsen, (Resonatoren), auf einem konisch geformten polygonalen Kern angeordnet sind und auf Diesem beliebig dimensioniert werden können und daß die Flanken des Rotors nahe dem Innendurchmesser mit einer mehrstufigen Labyrinthdichtung versehen sind, die das Austreten des Mediums in den Innenbereich der Turbine verhindert.
b. Dass die Anzahl der Polygonflächen auf dem Kern, – in welche die Resonanzdüsen eingearbeitet sind, – und im Laufring bei zunehmender Baugröße der Turbine keiner Beschränkung unterworfen ist.
c. Die Antriebstaschen im Rotor dem Umkreis des Austrittsquerschnitts der Düsen angepasst sind und der Grund der Antriebstaschen kalottenförmig ausgeformt ist und die Länge der Verschlußzeiten der Düsenöffnungen durch den Winkel der Achse der Antriebstaschen anpassbar ist..
d. Der Kanal durch den die Resonanzdüsen mit dem Antriebsmedium versorgt werden mit Abstufungen versehen ist, die in Antriebsrichtung eine abgestufte Durchflussmenge gewährleisten und dadurch innerhalb des Stufenkanals einen weitgehend gleichmässigen Druck gewährleisten.
e. Dass zu beiden Seiten des Teilkreises Tragdüsen angeordnet sind die sowohl den Start als auch die Landung der Rotors bei, mit zunehmender Baugrösse ebenfalls zunehmendem Gewicht desselben erleichtern.
f. Dass in Hohlräume, die den Resonanzdüsen benachbart sind, schwingungsdämpfende Granulate eingebracht sind, welche die Übertragung akustischer Schwingungen auf die Gehäuseteile stark reduzieren und damit die Geräuschemissionen mindern.
g. Dass die Durchmesser/Längenverhältnisse der Turbine durch die relativ unabhängige Dimensionierung bezogen auf den Wirkmechanismus bei der Anlagenintegration beliebig anpassbar ist.

Gegenüber der, in der DP 44 40 241 C1 beschriebenen Turbine und anderen bekannten Einrichtungen ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine wesentlich einfachere Herstellung der Teile mit bekannter Fertigungstechnik und ist in der Baugrösse keiner Beschränkung unterworfen wodurch in Verbindung mit den vorgenannten Eigenschaften eine wesentliche Verbesserung des Standes der Technik erreicht wird.
Der Aufbau der Turbine ist ober- und unterhalb des Rotors symmetrisch, d. h. die ober- und unterhalb des Rotors befindlichen Teile sind gespiegelte Varianten ihrer selbst. Die einzelnen Teile sind rotationssymmetrisch und können im Rahmen der Teilungen der Verschraubungen beliebig gedreht miteinander verbunden/verschraubt werden.
1 zeigt den Aufbau der Turbine, 90° aufgeschnitten, mit der Bezeichnung der einzelnen Teile, die in den nachfolgenden Absätzen beschrieben und in den Abbildungen dargestellt sind.
Der Rotor, (1), in 3 beschrieben und detailliert dargestellt, liegt bewegbar zwischen den Laufflächen. 5, (3.3), und 6, (6.3) der beiden Laufringe, (3 und 4), sowie zwischen den, auf gleichen Niveaus verlaufenden Laufflächen, 4, (2.3), und 7, (5.3) der Kerne, (2 und 5). Hierduch wird zu beiden Seiten, (Laufflächen, 3, (1.1 und 1.2) des Rotors je eine gemeinsame Lauf-/Führungsfläche für die Rotorflanken gebildet.
Die beiden Kerne. unten, (2), und oben (5) sind in 3 und 7 detailliert dargestellt. In die Polygonflächen der Kerne, (2 und 5) sind die Resonanzdüsen eingearbeitet, welche durch die Flächen der Innenpolygone der Laufringe unten, (3), und oben, (6), abgedeckt sind.
Die Stufen- und Ringkanäle, ergeben sich bei der Montage der Turbine durch verbleibende Hohlräume. Der Ringkanal, (25), dient der Versorgung der Tragdüsen, 4, (2.4), und ist durch die O-Ringe, (2.7 und 2.8), gegen die restliche Umgebung abgedichtet. Der Ringkanal, (26), dient der Versorgung der Tragdüsen, 5, (3.31), und ist durch die O-Ringe, (6.7 und 6.8), gegen die restliche Umgebung abgedichtet. Der Stufenkanal, (21), dient der Versorgung der Resonanzdüsen, 4, (2.23), und ist durch die O-Ringe, (3.7 und 3.8), gegen die restliche Umgebung abgedichtet.
Der Ringkanal, (23), dient der Versorgung der Tragdüsen, 7, (5.4), und ist durch die O-Ringe, (5.7 und 5.8), gegen die restliche Umgebung abgedichtet. Der Ringkanal, (26), dient der Versorgung der Tragdüsen, 8, (6.31), und ist durch die O-Ringe, (6.7 und 6.8), gegen die restliche Umgebung abgedichtet. Der Stufenkanal, (22), dient der Versorgung der Resonanzdüsen, 7, (5.23), und ist durch die O-Ringe, (5.8 und 6.7), gegen die restliche Umgebung abgedichtet.
Die Stufenringe, unten, (4), und oben oben, (7), sind auf der Ober- und Unterseite der Turbinen durch Schrauben in den Gewindebohrungen, der Laufringe, 5, 3.4 und 6, (6.4), verschraubt. Diese Verschraubungen sind durch die Bohrungen, (2.5 und 3.5), in den Kernen oben, (5) und unten, (2), geführt.
In den Stufenringen sind die Speiserohre (4.6), und (7.6), eingeschraubt. Bei giessereitechnischer Herstellung der Stufenringe können die Speiserohre auch fester Bestandteil der Stufenringe sein.
Im gezeigten Beispiel wird die untere Baugruppe, bestehend aus dem unteren Stufenring; (4), den O-Ringen, (2.7, 2.8, 3.7 und 3.8), dem unteren Kern, (2), und dem unteren Laufring, (3), mit der oberen Baugruppe, bestehend aus dem oberen Stufenring; (7), den O-Ringen, (5.7, 5.8, 6.7 und 6.8), dem oberen Kern, (5), und dem oberen Laufring, (6), durch die Schrauben, 10, (8.21 und 8.22), in den Gewinden der Distanzhülsen, (8.3), verschraubt. Der Rotor, (1), liegt hierbei in den Laufflächen in Antriebsrichtung, (2). Die Länge der Distanzhülsen, (8.3), ist so dimensioniert, daß der zwischen den beiden Baugruppen liegende Rotor, (1), ein geringfügiges Spiel zu den Lauf-/Führungsflächen hat.
2 zeigt die, in 1 ausgeschnitten dargestellten Teile der Vorrichtung in dreidimensionaler Darstellung, in der Längsachse auseinandergezogen. Den Rotor, (1), detailliert dargestellt in 3, den unteren Laufring; (3), detailliert dargestellt in 5, den unteren Kern, (2), detailliert dargestellt in 4, und den unteren Stufenring (4) mit dem Speiserohr, (4.6), detailliert dargestellt in 6 und 6a, sowie den oberen Laufring; (6), detailliert dargestellt in 8, den oberen Kern, (5), detailliert dargestellt in 7, und den oberen Stufenring (7) mit dem Speiserohr, (7.6), detailliert dargestellt in 9 und 9a.
Die Montage erfolgt, abhängig von den, zur Ableitung des Mediums verwendeten Hutzen,

a. Bei einer horizontalen Ableitung des austretenden Betriebsmediums mittels der in 10 dargestellten Horizontalhutze, (8), welche, wie in Verbindung mit den Distanzhülsen, (8.3), die zwischen den Laufringen, (3 und 6), eingesetzt und mit den Schrauben, (8.4 und 8.3), verschraubt wird. Zur Abdichtung und zur Reduzierung der Übertragung von Schwingungen sind die beiden Innendurchmesser der Horizontalhutze, (8), mit einer umlaufenden, U-Profil-förmigen Dichtung, (8.11), aus einem Elastomerwerkstoff umgeben.
b. Bei einer vertikalen Ableitung des austretenden Betriebsmediums mittels der in 11 dargestellten Koaxialhutze, bestehend aus einem Innenring (9.1), und einem Aussenring, (9.2), welche, unter- und oberhalb des Fensterrings, (10), zwischen den Laufringen, (3 und 6), eingesetzt und mit den Schrauben, (9.3 und 9.4), verschraubt werden. Im Innen- und Aussenring sind Durchbrüche, (9.22), zur Montage des Speiserohrs, (4.6), eingearbeitet. Zur Abdichtung und zur Reduzierung der Übertragung von Schwingungen sind die beiden Innendurchmesser der beiden Teile der Horizontalhutze, (9.1 und 9.2), mit umlaufenden, U-Profil-förmigen Dichtungen, (9.11 und 9.21), aus einem Elastomerwerkstoff umgeben.

3 zeigt den, zentral in die Turbine eingebauten Rotor, (1), der, im gezeigten Beispiel, unter einem Winkel von 30° dachförmig angeordneten Laufflächen, (1.1 und 1.2), besitzt in dreidimensionaler Darstellung. Der obere Teil der Darstellung zeigt den Rotor, (1), in Einbaustellung zu den übrigen Darstellungen. Der untere Teil der Darstellung zeigt den Rotor um 180° gedreht. Die Pfeile, (1.5), bezeichnen die Arbeitsrichtung im Betrieb, bezogen auf die Darstellung in 1 und anderen. Im Innendurchmesser, (1.3), sind Längsnuten (1.4), eingearbeitet, die als Mitnehmerelemente für, einen in den Innendurchmesser der Turbine einbaubaren Generator, (nicht dargestellt), vorgesehen sind.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Rotor, (1) um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen.
In die Laufflächen, (1.1 und 1.2), sind Antriebstaschen, (1.21 und 1.22), im gezeigten Beispiel 19 Stück pro Lauffläche, (1.1 und 1.2), eingearbeitet die an Ihrem Grund vorzugsweise kalottenförmig ausgebildet sind. Die Antriebstaschen, (1.11), sind gegen die Antriebstaschen, (1.21) um den halben Teilungswinkel verdreht. Die Bereiche der Laufflächen innerhalb, (1.12 und 1.22) der Antriebstaschen, (1.21 und 1.22), werden als Stützflächen für die Tragdüsen, (2.4 und 5.4), verwendet. Die Bereiche der Laufflächen ausserhalb, (1.11 und 1.21) der Antriebstaschen, (1.21 und 1.22), werden als Stützflächen für die Tragdüsen, (3.31 und 6.31), verwendet.
Des weiteren sind in den inneren Bereich der Laufflächen, (1.1 und 1.2), umlaufende, keilförmige Nuten, (1.13 und 1.23), im gezeigten Beispiel je 9 Stück, eingearbeitet, welche die Funktion einer Labyrinthdichtung erfüllen und während des Betriebs der Turbine das Eindringen des Betriebsmediums in den Innenraum der Turbine verhindern.
4 zeigt in der unteren Abbildung den unteren Kern, (2), welcher im gezeigten Beispiel aus einem konisch verlaufenden, 5-seitigen Aussen-Polygonprofil besteht, dessen Kanten, (2.11), abgerundet sind und in dessen Polygonflächen, (2.1), die Resonanzdüsen, (2.23), eingearbeitet sind. Anstelle der Abrundungen (2.11) können die Kanten auch entsprechend gefast/gebrochen sein. Der Flankenwinkel der Polygonflächen beträgt im gezeigten Beispiel 30° und steht damit etwa rechtwinklig zu den Laufflächen, (1.1 und 1.2), des Rotors, (1).
Des weiteren sind in die Laufflächen, (2.3), des Kerns mit Tragdüsen, (2.4), versehen, die entweder in den Kern eingearbeitet sind, oder als getrennte Bauteile in den Kern eingebaut werden, Diese Tragdüsen, (2.4), erfüllen zusammen mit den Laufflächenbereichen, (1.12 und 1.22) des Rotors, (1), abhängig von der Art des Betriebsmediums, (flüssig/gasförmig), die Funktion eines hydrodynamischen, bzw. gasdynamischen Stützlagers. Die Funktion und Bauart derartiger Lagerelemente wird als bekannt vorausgesetzt.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Kern, (2), um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen.
Im Kern, (2) sind des weiteren Bohrungen für die Schrauben zur Verschraubung mit den Gewindebohrungen, (3.4), im Laufring, (4). In der, dem Rotor, (1), zugewandten Seite des Kerns, (2), ist die Lauffläche, (2.3), durch Freistellungssektoren, (2.6), zum Austritt des Betriebsmediums teilweise unterbrochen.
Ausserdem ist die Position der in 1 benannten O-Ringe, (2.7 und 2.8), dargestellt.
Die Resonanzdüsen, (2.23), bestehen aus dem Düseneingang, (2.21) und dem Düsenausgang, (2.25), sowie dem Resonanzraum der zwischen dem Düsenausgang, (2.25), und den Reflektionsflächen, (2.24), gebildet wird. Die Resonanzdüsen werden im eingebauten Zustand an Ihrer Oberseite durch die Innenpolygonflächen, (3.1), des in 5 dargestellten Laufrings, (3), periodisch abgeschlossen.
Die Düseneingänge sind in Richtung des anströmenden Betriebsmediums abgerundet, (2.11), um das Einströmen desselben durch die Bildung einer Unterdruckzone zusätzlich zu fördern.
Die Montage des Kerns, (2), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
5 zeigt den unteren Laufring, (3), dessen Innenkontur im gezeigten Beispiel aus einem 5-seitigen konisch ausgeformten Innen-Polygonprofil mit einem Flankenwinkel von 30° besteht. Der Flankenwinkel der Polygonflächen des Innen-Polygonprofils (3.1), entspricht dem Flankenwinkel der Flächen des Aussen-Polygonprofils des Kerns, (2).
Im montierten Zustand werden die Resonanzdüsen, (2.23), des Kerns, (2), an den, zum Aussenduchmesser hin, offenen Seiten durch diese Innenpolygonflächen, (3.1), verschlossen. Abweichungen, die durch Fertigungstoleranzen bedingt sind, werden durch bekannte Dichtungsfolien aus einem, gegen das Betriebsmedium beständigen Werkstoff, welche in die entstehenden Zwischenräume gelegt werden, oder entsprechende, z. B. ausheizbare Dichtungsmassen ausgeglichen.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Laufring, (3), um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen.
In den Innen-Polygonflächen sind sind Gewindebohrungen, (3.4), die zwischen den Laufflächensegmenten austreten oder von der Seite des Innen-Polygonprofils (3.1), als Sacklochgewinde ausgeführt sind.
Die Ecken des Innenpolygonprofils, sind passend zu den Abrundungen, (2.11), des Außenpolygonprofils des Kerns, (2), abgerundet. Anstelle der Abrundungen, (2.11 und 3.2) können miteinander korrespondierende Fasen angebracht werden, soweit dies fertigungstechnisch einfacher ist.
Auf der, dem Rotor zugewandten Seite sind, – im gezeigten Beispiel 5, – segmentierte Laufflächen angearbeitet, die mit den Laufflächen des Kerns, (2), korrespondieren. Das Betriebsmedium tritt zwischen den segmentierten Laufflächen aus und wird nach aussen geschleudert.
Am äusseren Rand des Laufrings, (3), sind größere Bohrungen, (3.6), zur Verwendung der Verschraubung mit den Distanzhülsen, 10, (8.3 und 8.4), und der Horizontalhutze, (8), sowie kleinere Bohrungen, (3.5), zur Verwendung mit dem Fensterring, (10), und den Schrauben, (9.3). Details dazu folgen weiter unten.
Die Montage des Laufrings, (3), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
6 und 6a zeigen den unteren Stufenring, (4), mit dem Speiserohr, (4.6), in perspektivischer Ansicht und wegen der Darstellung des Ringkanals in der Ansicht von oben. Im Eingangsbereich (4.2), des Speiserohrs, (4.6), beginnt ein abgestufter Ringkanal, (4.21 bis 4.29) der in einem, vom Zentrum nach aussen verlaufenden Winkel von 30° zur Vertikalachse der Turbine eingearbeitet ist und bei montierter Turbine zusammen mit dem Kern unten, 1, (2), und dem Laufring unten, 1, (3), den Stufenkanal, 1, (21), bildet.
Die Ringkanalsegmente, (4.21, 4.23, 4.24, 4.27 und 4.29), verlaufen parallel zur Aussenkontur des Stufenrings, werden jedoch durch die unter ca. 45° ansteigenden Stufen, (4.22, 4.24, 4.26 und 4.28), welche jeweils im Bereich der Düseneingänge, 4, (2.21), im pro Stufe um, die Breite eines Düseneingangs 4, (2.21), der Resonanzdüsen, (2.23), angehoben. Die letzte Stufe wird durch einen, im Bereich (4,2) eingesetzten Keil, (nicht dargestellt), bewirkt.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Stufenring, (4), mit dem Speiserohr, (4.6) um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen.
Der Stufenring, (3), besitzt an seiner Aussenkontur, größere angesenkte Bohrungen, (4.4), zur Verwendung der Verschraubung mit den Distanzhülsen, 10, (8.2, 8.3 und 8.4), und der Horizontalhutze, (8), sowie kleinere Bohrungen, (4.3), zur Verwendung mit dem Fensterring, 11, (10), und den Schrauben, (9.4 und 9.3). Details dazu folgen weiter unten.
In die Aussenfläche sind Verschraubungen, (4.10 und 4.11), bekannter Bauart eingebaut. Durch die Verschraubung, (4.10), deren Bohrung, (4.7), in den inneren Ringkanal, 1, (2.5), austritt und werden die Tragdüsen, 4, (2.4), mit dem Betriebsmedium versorgt. Durch die Verschraubung, (4.11), deren Bohrung, (4.8), in den äusseren Ringkanal, 1, (2.6), austritt und werden die Tragdüsen, 5, (3.31), mit dem Betriebsmedium versorgt. Details zu den Ringkanälen sind in der Beschreibung zu 1 genannt.
Die Montage des Stufenrings, (4), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
7 zeigt in der unteren Abbildung den oberen Kern, (5), welcher eine gespiegeltes Pendant zum, in 4 dargestellten Kern 4, (2), ist. Der Kern besteht im gezeigten Beispiel aus einem konisch verlaufenden, 5-seitigen Aussen-Polygonprofil besteht, dessen Kanten, (5.11), abgerundet sind und in dessen Polygonflächen, (5.1), die Resonanzdüsen, (5.23), eingearbeitet sind. Anstelle der Abrundungen (5.11) können die Kanten auch entsprechend gefast/gebrochen sein. Der Flankenwinkel der Polygonflächen beträgt im gezeigten Beispiel 30° und steht damit etwa rechtwinklig zu den Laufflächen, (1.1 und 1.2), des Rotors, (1).
Des weiteren sind in die Laufflächen, (5.3), des Kerns mit Tragdüsen, (5.4), versehen, die entweder in den Kern eingearbeitet sind, oder als getrennte Bauteile in den Kern eingebaut werden, Diese Tragdüsen, (5.4), erfüllen zusammen mit den Laufflächenbereichen, (1.12 und 1.22) des Rotors, (1), abhängig von der Art des Betriebsmediums, (flüssig/gasförmig), die Funktion eines hydrodynamischen, bzw. gasdynamischen Stützlagers. Die Funktion und Bauart derartiger Lagerelemente wird als bekannt vorausgesetzt.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Kern, (5), um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen. Die untere Abbildung entspricht der Einbaustellung in 1.
Im Kern, (2) sind des weiteren Bohrungen für die Schrauben zur Verschraubung mit den Gewindebohrungen, (3.4), im Laufring, (4). In der, dem Rotor, (1), zugewandten Seite des Kerns, (2), ist die Lauffläche, (5.3), durch Freistellungssektoren, (5.6), zum Austritt des Betriebsmediums teilweise unterbrochen.
Ausserdem ist die Position der in 1 benannten O-Ringe, (5.7 und 5.8), dargestellt.
Die Resonanzdüsen, (5.23), bestehen aus dem Düseneingang, (5.21) und dem Düsenausgang, (5.25), sowie dem Resonanzraum der zwischen dem Düsenausgang, (5.25), und den Reflektionsflächen, (5.24), gebildet wird. Die Resonanzdüsen werden im eingebauten Zustand an Ihrer Oberseite durch die Innenpolygonflächen, (6.1), des in 8 dargestellten Laufrings, (6), periodisch abgeschlossen.
Die Düseneingänge sind in Richtung des anströmenden Betriebsmediums abgerundet, (5.11), um das Einströmen desselben durch die Bildung einer Unterdruckzone zusätzlich zu fördern.
Die Montage des Kerns, (5), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
8 zeigt den oberen Laufring, (6), dessen Innenkontur im gezeigten Beispiel aus einem 5-seitigen konisch ausgeformten Innen-Polygonprofil mit einem Flankenwinkel von 30° besteht. Der Flankenwinkel der Polygonflächen des Innen-Polygonprofils (6.1), entspricht dem Flankenwinkel der Flächen des Aussen-Polygonprofils des Kerns, (5).
Im montierten Zustand werden die Resonanzdüsen, (5.23), des Kerns, (5), an den, zum Aussendurchmesser hin, offenen Seiten durch diese Innenpolygonflächen, (6.1), verschlossen. Abweichungen, die durch Fertigungstoleranzen bedingt sind, werden durch bekannte Dichtungsfolien aus einem, gegen das Betriebsmedium beständigen Werkstoff, welche in die entstehenden Zwischenräume gelegt werden, oder entsprechende, z. B. ausheizbare Dichtungsmassen ausgeglichen.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Laufring, (6), um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen. Die obere Abbildung ist die Einbauposition bezogen auf die Darstellung in 1.
In den Innen-Polygonflächen sind sind Gewindebohrungen, (6.4), die zwischen den Laufflächensegmenten austreten oder von der Seite des Innen-Polygonprofils (6.1), als Sacklochgewinde ausgeführt sind. Die Ecken des Innenpolygonprofils, sind passend zu den Abrundungen, (5.11), des Außenpolygonprofils des Kerns, (5), abgerundet. Anstelle der Abrundungen, (5.11 und 6.2) können miteinander korrespondierende Fasen angebracht werden, soweit dies fertigungstechnisch einfacher ist.
Auf der, dem Rotor zugewandten Seite sind, – im gezeigten Beispiel 5, – segmentierte Laufflächen angearbeitet, die mit den Laufflächen des Kerns, (5), korrespondieren. Das Betriebsmedium tritt zwischen den segmentierten Laufflächen aus und wird nach aussen geschleudert.
Am äusseren Rand des Laufrings, (3), sind größere Bohrungen, (6.6), zur Verwendung der Verschraubung mit den Distanzhülsen, 10, (8.3 und 8.4), und der Horizontalhutze, (8), sowie kleinere Bohrungen, (6.5), zur Verwendung mit dem Fensterring, (10), und den Schrauben, (9.3). Details dazu folgen weiter unten.
Die Montage des Laufrings, (3), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
9 und 9a zeigen den oberen Stufenring, (7), mit dem Speiserohr, (7.6). In perspektivischer Ansicht und wegen der Darstellung des Ringkanals in der Ansicht von oben. Im Eingangsbereich (7.2), des Speiserohrs, (7.6), beginnt ein abgestufter Ringkanal, (7.21 bis 7.29) der in einem, vom Zentrum nach aussen verlaufenden Winkel von 30° zur Vertikalachse der Turbine eingearbeitet ist und bei montierter Turbine zusammen mit dem Kern unten, 1, (2), und dem Laufring unten, 1, (3), den Stufenkanal, 1, (21), bildet.
Die Ringkanalsegmente, (7.21, 7.23, 7.24, 7.27 und 7.29), verlaufen parallel zur Aussenkontur des Stufenrings, werden jedoch durch die unter ca. 45° ansteigenden Stufen, (7.22, 7.24, 7.26 und 7.28), welche jeweils im Bereich der Düseneingänge, 4, (2.21), im pro Stufe um, die Breite eines Düseneingangs 4, (2.21), der Resonanzdüsen, (2.23), angehoben. Die letzte Stufe wird durch einen, im Bereich (4,2) eingesetzten Keil, (nicht dargestellt), bewirkt.
Im oberen Teil der Abbildung ist der unten abgebildete Stufenring, (7), mit dem Speiserohr, (7.6) um 180° gedreht. Diese Form der Darstellung wurde gewählt um eine einheitliche Beschreibung der Teile zu ermöglichen. Die obere Abbildung ist die Einbaustellung bezogen auf die Darstellung in 1.
Der Stufenring, (7), besitzt an seiner Aussenkontur, grössere angesenkte Bohrungen, (7.4), zur Verwendung der Verschraubung mit den Distanzhülsen, 10, (8.2, 8.3 und 8.4), und der Horizontalhutze, (8), sowie kleinere Bohrungen, (7.3), zur Verwendung mit dem Fensterring, 11, (10), und den Schrauben, (9.4 und 9.3).
Details dazu folgen weiter unten.
In die Aussenfläche sind Verschraubungen, (7.10 und 7.11), bekannter Bauart eingebaut. Durch die Verschraubung, (7.10), deren Bohrung, (7.7), in den inneren Ringkanal, 1, (23), austritt und werden die Tragdüsen, 7, (5.4), mit dem Betriebsmedium versorgt. Durch die Verschraubung, (7.11), deren Bohrung, (7.8), in den äusseren Ringkanal, 1, (24), austritt und werden die Tragdüsen, 8, (6.31), mit dem Betriebsmedium versorgt. Details zu den Ringkanälen sind in der Beschreibung zu 1 genannt.
Die Montage des Stufenrings, (7), kann im Rahmen der hier dargestellten 5-er-Teilung in jeder Stellung, ohne Einfluss auf das Betriebsverhalten, erfolgen und ist nicht an eine bestimmte Orientierung gebunden, (ist nicht richtungsselektiv).
10 zeigt die Horizontalhutze mit den dazugehörigen Verschraubungen. Die hier gezeigte Form der Verschraubung ist in 1, – jedoch ohne die Horizontalhutze, – dargestellt. Die Horizontalhutze, (8), besitzt an den beiden Innendurchmessern, (8.11), umlaufende, U-förmige Dichtungsprofile aus einem Elastomer, die die Turbine nach außen abdichten und das gebrauchte Betriebsmedium durch den Ausgangsstutzen, (8.1). abführen.
Die Schrauben, (8.4), werden von unten durch die Bohrungen (4.4), des unteren Stufenrings 6, (4) und die Bohrungen (3.6), des unteren Laufrings, 5, (3) gesteckt und mit den Distanzhülsen, (8.3), verschraubt. Nachdem der Rotor in Laufrichtung eingelegt ist, werden mittels der Schrauben (8.2), der obere Stufenring, 9, (7), durch die Bohrungen, (7.4), mit dem eingesetzten oberen Kern, 7, (5), und dem oberen Laufring, 8, (6), durch dessen Bohrungen, (6.6), mit den Distanzhülsen, (8.3), verschraubt.
11 zeigt die Koaxialhutze mit dem Fensterring und den dazugehörigen Verschraubungen. Die Koaxialhutze besteht aus zwei, Ober- und unterhalb des Fensterrings, (10), ineinander montierbaren an der Oberseite abgerundeten, ringförmigen Teilen, die an den Innendurchmessern, (9.11 und 9.21), welcher die Schnittstellen zur Turbine bildet, mit umlaufenden U-förmigen Dichtprofilen aus einem Elastomer versehen sind.
In die Umfangsflächen der beiden Hutzen sind Durchbrüche zur Montage des unteren Speiserohrs, 6, (4.6), eingearbeitet.
Zur Montage werden die Schrauben, (9.3), von unten durch die Bohrungen (4.3), des unteren Stufenrings 6, (4) und die Bohrungen (3.5), des unteren Laufrings, 5, (3) gesteckt und nach aufsetzen der inneren Koaxialhutze (9.1), mit dem Fensterring, (10), verschraubt. Nachdem der Rotor in Laufrichtung eingelegt ist, werden mittels der Schrauben (9.3), der obere Stufenring, 9, (7), durch die Bohrungen, (7.3), mit dem eingesetzten oberen Kern, 7, (5), und dem oberen Laufring, 8, (6), durch dessen Bohrungen, (6.5), mit dem Fensterring, (10), verschraubt.
Die Resonanzturbine ist mit flüssigen, z. B. (Wasser und anderen Flüssigkeiten), gasförmigen, z. B. Luft, Kohlensäure, (CO₂) und anderen Gasen, und dampfförmigen, z. B. Wasserdampf, Mischdampf und anderen Dämpfen, betreibbar. Hierbei ist bei der Konstruktion lediglich zu berücksichtigen, daß die verwendeten Werkstoffe, bzw. deren Oberflächen gegen das Betriebsmedium beständig sind.
Die Funktion der Turbine wird wie folgt beschrieben:
Die Turbine besteht aus zwei spiegelbildlichen Hälften, die zum einen durch den unteren Stufenring, (4), mit dem unteren Speiserohr, (4.6), dem unteren Kern, (2), und dem unteren Laufring, (3), sowie deren optionale Verschraubungen, die in 10 und 11 dargestellt sind und andererseits durch oberen Stufenring, (7) mit dem oberen Speiserohr, (7.6), dem oberen Kern, (5) und dem oberen Laufring, (6), sowie deren Verschraubungen, die in 10 und 11 dargestellt sind. Zwischen diesen beiden Hälften, im Zentrum der Turbine, ist der Rotor, (1), bewegbar mit geringem Spiel angeordnet.
Zum Start und der Landung des Rotors, (1), werden Tragdüsen, (2.4, 3.31, 5.4 und 6.31), mit dem Betriebsmedium beaufschlagt, wodurch der Rotor von den Führungsflächen, (2.3 und 5.3), abhebt. Das Eindringen des Betriebsmediums in den Innenraum der Turbine wird durch die Labyrinthdichtungen, (1.13 und 1.23), in den Laufflächen, (1.1 und 1.2) des Rotors, (1) verhindert.
Die Resonanzdüsen werden über die Stufenkanäle, (21 und 22), mit dem Betriebsmedium versorgt. Der Querschnitt der Stufenkanäle, (21 und 22), reduziert sich durch Abstufungen im Bereich der Düseneingänge, (2.21 und 5.21), der Resonanzdüsen um den Querschnitt der Düseneingänge, (2.21 und 5.21), wodurch innerhalb der Stufenkanäle, (21 und 22), gleiche Druckverhältnisse vorhanden sind.
Der Rotor, (1) ist mit Antriebstaschen, (1.11 und 1.21), versehen, die durch ober- und unterhalb des Rotors in Führungsflächen, (2.3 und 5.3), mündende Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), mit dem Betriebsmedium beaufschlagt werden. Die Antriebstaschen, (1.11 und 1.21), sind an Ihrem Grund mit einer kalottenförmigen Geometrie versehen, die bewirkt, daß die Aufprallenergie des, von den Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), einströmenden Mediums weitgehend absorbiert, und beim weiterdrehen des Rotors, (1) der Düsenausgang, (2.25 und 5.25), verschlossen wird.
Während dieses Vorgangs wird die Druckwelle des Betriebsmediums, beim weiterdrehen des Rotors, (1), von den Bereich der Führungsflächen, (1.1 und 1.2), des Rotors, (1), welcher sich zwischen den Antriebstaschen, (1.11 und 1.21), befindet verschlossen und der darauf anstehende Druck des Betriebsmediums wird durch die Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), zurück auf deren Reflektionsflächen, (2.24 und 5.24), reflektiert und von diesen verstärkt wieder an den Düsenausgang zurückgesendet, Hierbei entsteht im Betrieb eine Serienresonanz, die sich über die Betriebszeit fortsetzt.
Die Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), sind ihrer Art nach als invertierte Festkörperresonatoren zu betrachten, und von der Geometrie her als Keilresonatoren zu bezeichnen. Derartige Resonatoren werden zum Beispiel als Amplitudentransformatoren,/Konverter in der Ultraschalltechnik in verschiedenen Bauformen seit vielen Jahren eingesetzt. In diesem Fall stellt die Innengeometrie der, in den Kernen, (2 und 5), eingearbeiteten Resonatorstrukturen, (2.23 und 5.23) welche an ihrer Aussenseite durch die Innenpolygonflächen, (3.1 und 6.1), der Laufringe, (3 und 6), geschlossen,/abgedeckt sind, einen dynamischen, fliessendenden Resonanzkörper dar, der durch das in den Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), befindliche Betriebsmedium gebildet wird.
Das Transformationsverhältnis/Übersetzungsverhältnis innerhalb der Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), entspricht etwa dem Querschnittsverhältnis zwischen den Reflektionsflächen, (2.24 und 5.24), und dem dem Querschnitt des Düsenausgangs, (2.25 und 5.25). In den Darstellungen sind wegen der besseren Erkennbarkeit die Reflektionsflächen, (2.24 und 5.24), und damit das Übersetzungsverhältnis stark vergrössert dargestellt. Aus der Erfahrung sind, abhängig vom verwendeten Betriebsmedium, Übersetzungsverhältnisse im Bereich bis ca. 1:5 sinnvoll anwendbar.
Der eigentliche Resonanzkörper ist das Betriebsmedium in den Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), welches abhängig vom verwendeten Stoff einen grösseren oder kleineren Elastizitätsmodul besitzt und entsprechend unterschiedlich auf die Betriebsart reagiert. Die Länge des, die Resonanzfrequenz bestimmenden Resonators, der durch das Volumen zwischen Düsenausgang, (2.25 und 5.25), und Reflektionsflächen, (2.24 und 5.24), gebildet wird, bestimmt abhängig von der Wellengeschwindigkeit im verwendeten Betriebsmedium und dessen Druck, sowie das Querschnittsverhältnis zwischen Düsenausgang, (2.25 und 5.25), und Reflektionsflächen, (2.24 und 5.24), die Resonanzfrequenz. Durch die Änderung der Länge des Resonators bei ansonsten gleichen Parametern, kann die Resonanzfrequenz den Anforderungen des Betriebs, z. B. zur Abstimmung auf die erforderliche Drehzahl des Rotors angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DP 4440241 C1 [0001, 0006, 0008]
DE 724269 [0005]

Claims

Resonanzturbine dadurch gekennzeichnet daß eine Turbine zum Betrieb mit flüssigen, gas- und dampfförmigen Medien, geeignet ist, die um ihren Rotor, (1), dessen Antriebstaschen, (1.11 und 1.21), zu beiden Seiten in Drehwinkel hälftig gegeneinander versetzt sind und deren Anzahl pro Seite vorzugsweise einer Primzahl entspricht, Baugruppen aus aus spiegelsymmetrisch hergestellten Bauteilen besitzt, das sind – ein oberer, (2), und unterer Kern, (5), – ein oberer, (3), und unterer Laufring, (6), – ein oberer, (4), und unterer Stufenring, (7), – und deren Zubehör- und Verbindungsteile, Dichtringe usw. die oberhalb und unterhalb des des verdrehbaren Rotors, (1) angeordnet sind.
Resonanzturbine dadurch gekennzeichnet daß das Betriebsmedium im Betrieb resonanzfähige Strukturen,/Resonatoren, (2.23 und 5.23), hoher Schwingüte durchläuft, die auf die in Ihrer Resonanzfrequenz durch die Anpassung der Geometrie der Resonatoren, (Länge Übersetzungsverhältnis), abstimmbar sind.
Resonanzturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Turbine unabhängig von den Parametern der Betriebsfrequenz im Durchmesser beliebig linearisierbar ist.
Resonanzturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Turbine unabhängig vom Durchmesser durch die Anpassung der Länge, insbesondere der Länge der Kerne, (2 und 5), und der Laufringe, (3 und 6) in den den Parametern der Transformationsverhältnisse und Betriebsfrequenz der Resonanzdüsen, (2.23 und 5.23), beliebig anpassbar ist.