DE2618194A1

DE2618194A1 - Turbomaschine

Info

Publication number: DE2618194A1
Application number: DE19762618194
Authority: DE
Inventors: Terence P Emerson; James C Noe; Kurt H Wieland
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1975-04-28
Filing date: 1976-04-26
Publication date: 1976-11-11
Also published as: GB1549373A; FR2309712B1; US4141672A; FR2309712A1

Description

Unser Zeichen
Our Ref.

G/p 8478

THE GARRETT CORPORATION, 9851-9951 Sepulveda Boulevard, Los Angeles, California 90009 / USA

Turbomaschine

Die Erfindung betrifft eine Turbomaschine, die mit wenigstens zwei Strömungsmittelquellen versehen bzw. an wenigstens zwei Strömungsmittelquellen anschließbar ist, mit einem Gehäuse sowie mit einem Turbinenkörper, der eine aus einer Vielzahl von Schaufelelementen gebildete Schaufelanordnung besitzt.

Unter "Strömungsmittel" sind im folgenden vor allem Gase, Dämpfe sowie Flüssigkeiten zu verstehen, die unter Druck stehen und zum Antrieb der Turbomaschine geeignet sind, wobei die Strömungsmittel der unterschiedlichen Strömungsmittelquellen verschiedene Temperaturen, verschiedenen Druck und verschiedene Geschwindigkeiten aufweisen können, so daß es notwendig ist, sämtliche Strömungsmittel in einer Turbomaschine bzw. in einem Turbomaschinensystem in unterschiedlicher Weise zu behandeln.

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Konto: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 200 73) 5 804248 Postscheckkonto München 893 69 - 801

Gerichtsstand Regensburg

Bei bekannten Einrichtungen ist für diesen Zweck für jede Strömungsmitteiquelle ein besonderer Abschnitt in der Maschine vorgesehen, so OaB im Falle einer mit Strömungsmittel betriebenen Turbine eine Vielzahl von Einzelturbinen vorgesehen ist, von denen jede mit dem Strömungsmittel einer Strömungsmittelquelle beaufschlagt wird. Hierdurch werden mit der Anzahl der Strömungsmittelquellen die Komplexität sowie die Kosten des Systems erhöht, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit des Systems abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und eine einzige Turbine aufzuzeigen, welche in der Lage ist, einen Mehrfachstrom von verschiedenen und unterschiedlichen Strömungsmitteln

gleichzeitig aufzunehmen bzw. zu verarbeiten, so daß eine einzige rotie-* rende Maschineneinheit mit einer Vielzahl von Strömungsmittelquellen zu-: sammenarbeiten kann. i

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Turbomaschine bzw. ein Turbomaschinen+ System der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäß so ausgeführt, daß

wenigstens zwei Kammern in dem Gehäuse vorgesehen sind, von denen jede wenigstens

mit/einer Strömungsmittelquelle verbunden ist, und daß die Schaufelan- i Ordnung in zwei Abschnitte unterteilt ist, wobei jeder Abschnitt mit ' dem Strömungsmittel einer Kammer beaufschlagt wird.

I

_: Sowohl die Anzahl der Kammern als auch die Anzahl der Abschnitte entspricht bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine vorzugsweise der Anzahl der Strömungsmittelquellen. j

Bei der erfindungsgemäßen Turbomaschine sind zur Handhabung bzw. Wirksam*

'■ machung jedes Strömungsmittels gesonderte Einlaßdüsen oder Flügel bzw.

Rippen vorgesehen. Auf diese Weise wird jedes Strömungsmittel an den-

; jenigen Teil der Turbine bzw. des Turbinenkörpers gerichtet, welcher

(Teil) eine optimale Ausnutzung der Strömungsenergie des betreffenden Strömungsmittels garantiert. Die Erfindung kann sowohl bei Turbinen mit radialem Zustrom, d.h. bei Turbinen, bei denen das Strömungsmittel radial von innen oder von außen den Schaufelelementen zugeführt wird, (Radial-Fluß-Turbinen), als auch bei Turbinen mit axialer Einströmung, d.h. bei Turbinen, in denen das Strömungsmittel den Schaufelelementen in einer Richtung parallel zur Drehachse des Turbinenkörpers zugeführt wird (Axial-Fluß-Turbinen),verwendet werden. Die Erfindung kann dabei eine vollständige Trennung der Strömungsmittelströme oder aber eine Vermischung dieser Ströme bei ihrer Expansion in der Turbine vors-ehen.

Die Erfindung wird im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Radial-Fluß-Turbine mit Doppelstrom gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitijdurch eine Abwandlung der Turbine gemäß Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 2; Fig. 5 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt, der ein drehbares Abschirmelement für eine Radial-Turbine gemäß der Erfindung zeigt

Fig. 6 einen Schnitt einer Axial-Fluß-Turbine mit Doppel-Strom gemäß der Erfindung;

Fig. 7 ebenfalls im Teilschnitt eine Abwandlung der Turbine gemäß Fig. mit einem rotierenden Abschirmkörper;

Fig. 8 die Ansicht einer Schnecke mit zwei Anschlüssen für Strömungsmittelquellen zur Verwendung bei einer Radial-Fluß-Turbine;

Fig. 9 die Anseht des Gehäuses fUr eine Axial-Fluß-Turbine bei zwei Strömungsmittelquellen;

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie Y-Y der Fig. 9·.

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In der Figur 1 ist eine Turbine gezeigt, die allgemein mit der Ziffer 1C bezeichnet ist und eine radiale Einströmung bzw. einen radialen Zustrom aufweist. Die Turbine 10 besitzt einen Naben- bzw. Läuferteil 12 und einen Schaufelteil 14. Der Turbinenkörper ist um die Achse X-X drehbar gelagert, wobei der Schaufelteil 14 der Turbine 10 mit zwei Eingangsbzw. Einlaßabschnitten 16 und 18 versehen ist. Radial außerhalb der Schaufelte ile der Turbine ist eine ringförmige Doppelströmungskammer vorgesehen, die allgemein mit 20 bezeichnet ist. Diese Strömungskammer ist in zwei getrennte Kammern 22 und 24 unterteilt, von denen jede mit einer gesonderten, nicht näher dargestellten Strömungsmittelquelle verbunden ist. Die Kammer 22 ist mit einer Vielzahl von Düsen versehen, welche am inneren Durchmesser der Kammer im Abstand voneinander angeordnet sind und von denen eine Düse 26 gezeigt ist. Diese Düsen dienen dazu, um Strömungsmittelunterdruck aus der Kammer 22 auf den Eingangsabschnitt 16 der Turbine 10 zu richten. Die andere Kammer 24 der Doppelströmungskammer 20 ist ebenfalls mit einer getrennten Quelle fUr unter Druc k stehendes Strömungsmittel verbunden und ist mit einer Vielzahl von Düsen 28 versehen, welche das Strömungsmittel aus der Kammer 24 auf den Eingangsabschnitt 18 der Turbine 10 richtet. Auf diese Weise ist jedem Eingangsabschnitt 16 bzw. 18 eine gesonderte Strömungsmittelquelle sowie eine gesonderte Düsenanordnung zugeordnet.

In Fig. 2 ist eine ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei der eine Turbine 10 mit Schaufelteilen 16 und 18 versehen ist. Die ring- bzw. wulstförmige Kammer 30 ist wiederum in zwei Einzelkammern 32 und 34 unterteilt. Die Kammer 32 steht Über Düsen 36 mit dem Schaufelteil 16 in Verbindung, während das Strömungsmittel von der Kammer 34 an den Schaufelteil 18 der Turbine mit Hilfe einer Vielzahl von ortsfesten Flügeln oder Rippen 38 gerichtet ist.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Düsenanordnung 26 teilweise darge-

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stellt, wobei die Verteilung der einzelnen Düsen um den Umfang der Turbine gezeigt ist. In Fig 4 sind in einem Teilschnitt die Flügel bzw. Rippen 38 gezeigt, die oben im Zusammenhang mit der Fig. 2 erwähnt wurden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Form einer Turbine, die ähnlich der in den Figuren 1 und 2 beschriebenen Turbine ist und ebenfalls eine radiale Einströmung besitzt. Die Turbine 40 weist einen Naben- bzw. Läuferteil 42 sowie Schaufelteile 44 und 46 auf. Der Schaufelteil 44 wird über Flügel oder Rippen 50 mit Strömungsmittel und I der Schaufelteil 46 über Flügel oder Rippen 48 mit Strömungsmittel einer anderen Strömungsmittelquelle beaufschlagt. FaIJs bei der gezeigten Ausführungsform der Strömungsmittelfluß in dsn beiden Schaufelabschnitten getrennt gehalten werden soll, kann ein rotierendes Abschirmteil 52 vorgesehen werden, welches mit der Turbine umläuft. Auf diese Weise werden die Strömungsmittelströme der beiden Strömungsmittelquellen auch nach der Expansion in der Turbine getrennt gehalten.

In den Fig. 6 und 7 sind zwei Ausfuhrungsformen bei Anwendung der Erfindung bei Axial-Fluß-Turbinen gezeigt. Die in Fig. 6 gezeigte Turbine 54 besitzt einen Naben- bzw. Läuferteil 56 und einen einzigen Schaufelabschnitt 58. Strömungsmittel einer ersten Quelle wird mit Hilfe eines Kanales 60 auf den Schaufelabschnitt 58 gerichtet, während das Strömungsjmittel der zweiten Strömungsquelle über den Kanal 62 einem anderen Abschnitt des gleichen Schaufelabschnittes zugeführt wird. Die Kanäle 60 und 62 sind durch einen ortsfesten Abschirmkörper 64 voneinander getrennjt Bei der in Fig. 7 gezeigten Turbine 68 mit einem Naben- bzw. Läuferteil 70 und mit einem in zwei Abschnitte unterteilten axialen Schaufelteil, dessen beide Abschnitte mit 72 bzw. 74 bezeichnet sind, erhält der Abschnitt 74 Strömungsmittel über den Kanal 76, während der Abschnitt 72 über den Kanal 78 mit Strömungsmittel beaufschlagt wird. Die beiden

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Schaufelabschnitte sind durch einen drehenden Abschirmteil 80 voneinander getrennt, wobei die Trennung der Kanäle 76 und 78 mit Hilfe einer sich drehenden Labyrinthdichtung 82 erreicht wird.

In der Fig. 8 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer ringförmigen Kammer 84 gezeigt, welch letztere eine Radial-Turbine umgibt. Die Ringkammer 84 ist mit zwei Einlassen 86 und 88 versehen, die an unterschiedliche Strömungsmittelquellen angeschlossen werden können. Bei dieser Ausführungsform sind die Turbinenblätter, die der radialen Einströmung des Strömungsmittels angepaßt sind und beispielsweise eine bei Turbinen mit radialer Strömungszufuhr übliche Formgebung

bzw. gleich
aufweisen, gleichförmig/über ihre Breite ausgebildet, wobei jedoch die Strömungsmittel der einzelnen Strömungsmittelquellen verschiedenen radialen Segmenten der Turbine zugeführt werden. So gelangt beispielsweise das Strömungsmittel welches durch die Öffnung 86 zugeführt wird, in den Innenraum entlang der Wandung 90 und wird auf den Teil der Tür- '■■ bine gerichtet, welcher durch den Winkel B begrenzt ist* Innerhalb dieses Winkels wird das Strömungsmittel den einzelnen Turbinenschaufeln über Rippen- bzw. FUhrungsbleche gerichtet zugeführt. In ähnlicher Weisel

wird das über die öffnung 88 zugeführte Strömungsmittel durch die Wandung 92 so geführt, daß es im Bereich des Winkels A zwischen den beiden Wandungen 90 und 92 auf die Turbine auftrifft. Auf diese Weise wird das ; Strömungsmittel von jeder Strömungsmittelquelle verschiedenen Abschnit- j ten der Turbine entsprechend deren besonderer Parameter zugeführt. Obwohl bei der dargestellten Ausfuhrungsform zwei Abschnitte und zwei Einlasse gezeigt sind, versteht es sich, daß bei dieser Ausführungsform j jede beliebige Zahl von Einlassen entsprechend der Anzahl der vorhandenen Strömungsmittelquellen vorgesehen sein kann.

In den Figuren 9 und 10 ist eine weitere Äusführungsform der Erfindung gezeigt, bei welcher die axialen Turbinenschaufeln gleichförmig und

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gemeinsam am Nabenteil bzw. am Läufer sind, bei der jedoch der Einlaß in eine Vielzahl von Elementen bzw. Einzeleinlässen unterteilt ist, von denen jeder von einer getrennten Strömungsmittelquelle gespeist wird. Wie an besten aus Fig. 10 zu ersehen ist, ist eine Axial-Fluß-Turbine 95 vorgesehen, die Schaufelelemente 96 an ihrem Umfang aufweist. Die Turbino ist an einer Welle 97 um die Achse Z-Z drehbar befestigt. Außerdem sind zwei Turbineneinlässe 98 und 100 vorgesehen. Strömungsmittel von dem ersten Einlaß 98 wird mit Hilfe von Leitblechen bzw. Flügeln 102 auf

ein Segment der Flügelschaufeln 96 gerichtet. Strömungsmittel der anderen i
' Strömungsmittelquelle wird über den Einlaß 100 zugeführt und prallt unter

^! j

j Verwendung von Flügeln bzw. Leitblechen 104 auf den anderen Abschnitt der ' Turbine 95 bzw. der Turbinenschaufeln 96. Die beiden Abschnitte sind durqh Trennglieder 106 voneinander getrennt, um auf diese Weise den Turbineneinlaß in zwei bestimmte Abschnitte zu unterteilen und eine Maschine mit axialem Fluß zu erzielen, bei welcher Strömungsmittel von zwei verschiedenen Quellen verschiedenen Abschnitten der Turbine zur optimalen Ausnutzung der Energie im Strömungsmittel zugeführt wird.

: Unter Radial-Turbinen gemäß der Erfindung werden entweder solche Turbinen j verstanden, bei denen ein radialer Einfluß stattfindet, oder aber solche Turbinen, bei denen ein radialer Ausfluß stattfindet. Bei allen diesen Turbinen können übliche Schaufelformen zur Anwendung kommen, wie sie bei derartigen Turbinen Verwendung finden, z.B. Schaufeln mit voller Länge entsprechend den Fig. 1 und 2, oder aber Teilschaufeln oder Kombinationen hiervon. Auch Cantilever-Schaufeln bzw. freitragende Schaufeln fallen unter diese Kategorie. Bei Turbinen mit radialem Ausfluß sind die Düsen j innerhalb der Schaufelanordnung vorgesehen. Eine Variation der in den j Fig. 3 und 4 gezeigten Düsen kann beispielsweise in sog. "flügel- bzw. leitblechfreien Düsen" (vaneless nozzles) bestehen, wo die Flügel 38 der Fig. 4 bzw. 48 und 50 der Fig. 5 z.B. entfernt sind. Eine oder sämtliche Vielfach-Stromdüsen können mit oder ohne Flügel bzw. Führungsblech«

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versehen sein.

Die obigen Ausführungen haben gezeigt, daß mit der vorliegenden Erfindung Mittel vorgeschlagen werden, um ein einziges drehbares Turbinenelement zu verwenden, welches mit verschiedenen Strömungen unterschiedlicher Strömungsmittelquellen beaufschlagt wird, und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine Axial- oder Radial-Fluß-Turbine handelt. Der Strömungsmittelfluß kann dabei gesteuert und an denjenigen Teil der Turbine gerichtet werden, welcher das Strömungsmittel am wirksamsten ausnutzt. Es versteht sich, daß viele Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind unter Berücksichtigung der oben gegebenen Lehre. Es versteht sich daher auch, daß sich die Erfindung innerhalb des Umfanges der nachfolgenden Ansprüche auf andere Weise, wie voranstehend speziell beschrieben wurde, verwirklicht werden kann.

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Claims

Patentansprüche

; 1.!Turbomaschine mit wenigstens zwei Quellen für unter Druck stehendes 'Λ~^ Strömungsmittel und mit einem Gehäuse sowie mit einem Turbinenkörper,

; der eine aus einer Vielzahl von Schaufelelementen bestehende Schaufel-anordnung besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Kammern

wenigstens (22, 24, 32, 34, 98, 100) vorgesehen sind, von denen jede mit/einer

Strömungsmittelquelle verbunden ist, und daß die Schaufelanordnung in I^We?zwei ^schnitte (16, 18, 44, 46, 72, 74) unterteilt ist, wobei jeder ~ Abschnitt mit dem Strömungsmittel einer Kammer beaufschlagt wird. '
2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine eine Axial-Fluß-Turbine oder eine Radial-Fluß-Turbine mit einer radialen Strömungsmitteleinströmung oder -Ausströmung ist.
3. Turbomaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch vorzugsweise an den Auslässen der Kammern vorgesehene Mittel (38, 90, 92, 102, 104), mit denen die Strömungsmittel dem Turbinenkörper bzw.der

, Schaufelanordnung gerichtet zugeführt werden.
4. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne ;, daß zwischen den Mitteln zum gerichteten Zuführen des Strömungsmittel:; an den Turbinenkörper bzw. an die Schaufelanordnung Wandelemente (90, 92) vorgesehen sind, um den Umfang des Turbinenkörpers bzw. die Schaufelanordnung in mehrere Umfangsabschnitte zu unterteilen, von denen jeder Strömungsmittel aus einer Kammer erhält,
5. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß um den Turbinenkörper bzw. um die Schaufelanordnung mehrere Gruppen von Düsen (26, 28, 36) und/oder Öffnungen vorgesehen sind, wobei j jede Gruppe mit einer Kammer in Verbindung steht. '

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6. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte von einer entsprechenden Anzahl getrennter Bereiche, z.B. aerodynamischer Bereiche (16, 18, 44, 46, 72, 74) an jedem Schaufelelement gebildet sind, wobei das Strömungsmittel aus der einen Kammer dem einen Bereich und das Strömungsmittel aus der anderen Kammer dem anderen Bereich zugeordnet ist.
7. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich- j

net, daß bei einer Turbine mit radialem Zufluß bzw. Zustrom die beiden Bereiche (16, 18, 44, 46) in axialer Richtung gegeneinander ver- ■ setzt an den Schaufelelementen (14) vorgesehen sind.
8. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Axial-Fluß-Turbine die Bereiche (72, 74) an jedem Schaufelelement in radialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.
9. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen wenigstens ein mit dem Turbinenkörper verbundenes und mit diesem Körper umlaufendes Abschirmelement (52) vorgesehen ist, welches die Bereiche (44, 46) trennt.
10. Turbomaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen I dem Abschirmkörper und dem Gehäuse Oichtungsmittel (82) vorgesehen sind, um die Strömungsmittel in der Maschine getrennt zu halten.
11. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das aus jeder Kammer ausströmende Strömungsmittel auf einem entsprechenden Umfangsteil der Schaufelanordnung trifft, und daß

wenigstens

Wände (90, 92) vorgesehen sind, die die Umfangsteile in/zwei getrennte Abschnitte (A^B) aufteilen.

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12. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelelemente am Umfang eines um eine Achse drehbaren Turbinenkörpers verteilt angeordnet sind.
13. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern dem Turbinenkörper gegenüberliegend angeordnet sind.
14. Turbomaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich-

,

net, daß die Kammern den Turbinenkörper gemeinsam umschließen. '<

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