DE2652536B2 - Axialumkehrturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Axialumkehrturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, wie sie insbesondere als Schiffsantrieb dort Verwendung findet, wo auch eine Rückwärtsfahrt möglich sein soll, jedoch auf schwere Wendegetriebe oder komplizierte Schiffsschrauben mit verstellbaren Blättern verzichtet werden soll, um nicht die Vorteile von Gasturbinenantrieben, nämlich leichte und kompakte Bauweise und große Manövrierfähigkeit zunichte zu machen. Die Turbine soll also in beiden Drehrichtungen Leistung abgeben können.

Ausgegangen wird bei der vorliegenden Erfindung von einer aus US-PS 32 86 982 bekannten Axialumkehrturbine.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist die zur Vorwärtsturbine gehörende Schaufeletage die radial äußere Etage und die zur Rückwärtsturbine gehörende Schaufeletage die radial innere Etage. Die Absperreinrichtung beider Etagen ist in Form der verstellbaren Schaufeln des Leitschaufelkranzes selbst ausgeführt, die bis zur völligen Überdeckung des von ihnen beherrrsch-Bei der Vorwärtsdrehung der Turbine sind die Leitschaufeln der inneren Rückwärtsturbine in der ihren Strömungsquerschnitt überdeckenden Sperrstellung, wobei gewisse Leckverluste unvermeidlich sind, und die Laufschaufeln der Rückwärtsturbine laufen ohnp wesentliche Durchströmung im Ventilationsbetrieb um. Die Schaufeln des Leitschaufelkranzes der äußeren Vorwärtsturbine stehen in der für den Betrieb dieser Turbine erforderlichen Drehstellung, so daß das durch sie hindurchtretende Strömungsmedium den Laufschaufelkranz unter Arbeitsleistung beaufschlagt Bei der Rückwärtsfahrt ist es entsprechend umgekehrt

An sich ist es wegen des überwiegenden Betriebs eines Schiffes in Vorwärtsfahrt sinnvoll, die Vorwärtsturbine nach außen zu legen, die dann wegen ihrer größeren Stirnfläche und größeren Umfangsgeschwindigkeiten mit besserem Wirkungsgrad arbeiten kann, während die im Ventilationsbetrieb umlaufende Rückwärtsturbine wegen der geringeren Umfangsgeschwindigkeiten auch nur geringere Ventilationsverluste ergibt

Nachteilig ist bei der bekannten Ausbildung jedoch, daß man praktisch auf eine einstufige Ausführung beider Turbinen angewiesen ist, womit große Wärmegefälle doch nicht mit gutem Wirkungsgrad verarbeitet werden können. Wolke man aber zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades bei der Verarbeitung großer Wärmegefälle die Vorwärtsturbine bei der bekannten Ausbildung mehrstufig ausführen, so wäre dies praktisch nur möglich, wenn auch die Rückwärtsturbine mehrstufig ausgeführt wird, was aber mit sprunghaft ansteigenden Ventilationsverlusten bei der Vorwärtsfahrt und mit Überströmverlusten zwischen den Strömungskanälen von Vorwärts- und Rückwärtsturbine verbunden wäre.

Hinzu kommt daß bei einstufiger Ausbildung die möglichen Durchmesser aufgrund der hohen Fliehkraftbeanspruchungen begrenzt sind, was zu ziemlich hohen Austrittsgeschwindigkeiten aus der Turbine zwingt und weitere Verluste verursacht. Schließlich muß mit ziemlich hohen Umfangsgeschwindigkeiten gearbeitet werden, was entsprechend hohe Ventilationsverluste in der schnellaufenden Rückwärtsturbine bedingt.

Schließlich ist, wie bereits erwähnt, die Verwendung des Leitschaufelkranzes mit in Sperrstellung verbringbaren Leitschaufeln als Absperreinrichtung der Rückwärtsturbine mit nicht unerheblichen Leckverlusten verbunden welche eine entgegen der Vorwärtsdrehung wirkende Arbeitsleistung und dadurch eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades mit sich bringen. Dieser Einfluß ist umso fühlbarer, je kleiner die Turbinenanlage ist, und zwar wegen der mit abnehmenden Abmessungen prozentual größeren Spalte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Axialumkehrturbine, mit deren Vorwärtsturbine auch hohe Wärmegefälle mit gutem Wirkungsgrad, insbesondere also mehrstufig verarbeitet werden können, wobei die Ventilationsverluste der Rückwärtsturbine klein bleiben sollen, so daß insgesamt ein guter Wirkungsgrad erzielt wird.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die zur Vorwärtsturbine gehörende Etage die radial innere Etage ist und die Einrichtung zur Absperrung des Arbeitsmittelstromes zur radial äußeren Rückwärtsturbine eine koaxial zur Turbinenwelle liegende Zylinderhülse mit Fenstern aufweist, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser des Zwischengehäuses zwischen den Etagen entspricht und die von

einem Deckband umgeben ist, dessen Breite zur Abdeckung der Fenster mindestens gleich deren axialer Erstreckung ist und das durch eine Vorrichtung zur Radial verstellung in zumindest zwei Fixierte Stellungen bewegbar ist, in deren innerer er unter Sperrung der Fenster dicht auf der Zylinderhülse aufliegt und in deren äußerer es unter Freigabe der Fenster etwa auf dem Außendurchmesser des Strömungsteils der Rüdcwärtsturbine liegt

Bei eiter solchen Ausbildung sind die der bekannten Ausbildung anhaftenden Nachteile im wesentlichen beseitigt Die Absperreinrichtung der Rückwärtsturbine in Form des sich dicht auf die Fenster legenden Deckbandes schließt praktisch völlig dicht, so daß auch keine Verluste mehr durch die Vorwärtsdrehung entgegenwirkende Arbeitsleistung auftreten. Der gesamte Arbeitsmediumstrom steht der Vorwärtsturbine zur Verfugung. Die Vorwärtsturbine ist dicht und kann ohne verlustbehaftete Umlenkungen gerade durchströmt werden; insbesondere kann sie leicht mehrstufig ausgebildet werden, so daß auch für neuzeitliche Gasturbinen charakteristischen großen Wärmegefälle mit günstigem Wirkungsgrad verarbeitet werden können.

Es kann zweckmäßig sein, wenn zur Vorwärtsturbine zumindest noch eine vor dem zweietagigen Leitschaufelkranz angeordnete einetagige Zusatzst jfe gehört Dadurch kann eine Herabsetzung der Turbinendrehzahl bei vorgegebenem Wärmegefälle erreicht werden, was eine Verringerung der Umfangsgeschwindigkeiten und damit auch der Ventilationsverluste in der Rückwärtsturbine mit sich bringt. Die Herabsetzung der Turbinendrehzahl erlaubt auch wegen der geringeren Zentrifugalkräfte eine Vergrößerung der Strömungsquerschnitte der Vorwärtsturbine, was wiederum zu niedrigeren Austrittsgeschwindigkeiten führt, und eine bessere Rückgewinnung der kinetischen Energie erlaubt.

Es ist schließlich zweckmäßig, wenn die Vorrichtung zur Radialverstellung des Deckbandes an der Außenseite des Turbinengehäuses angeordnet ist und zwei Hebel aufweist, deren jeder mit seinem einen Ende mit einem Deckbandende verbunden ist und deren andere Enden über ein Zahngetriebe gekoppelt sind.

Eine solche Ausbildung der Verstellkinematik erlaubt einen großen Hub des Deckbandes in Radialrichtung.

Die erfindungsgemäße Axialumkehrturbine kann mit praktisch beliebiger Größe und spezifischer Leistung ausgeführt werden, wobei sie sich durch eine hohe Manövrierfähigkeit und Wirkungsgrade von über 90% auszeichnet

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand öer Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Axialumkehrturbine in teilweise geschnittener perspektivischer Darstellung;

Fig.2 die Vorrichtung zur Radi?!verstellung des Deckbandes in perspektivischer Darstellung;

F i g. 3 einen achsnormalen Schnitt in Höhe der Hebel der Radialverstellvorrichtung des Deckbandes;

F i g. 4 den Schnitt IV-IV der F i g. 3;

F i g. 5 den Schnitt V-V der F i g. 3.

Die Axialumkehrturbine besitzt ein Gehäuse 1, in welchem ein Leitschaufelkranz 2 und ein Laufrad 3 untergebracht sind, die zweietagige Schaufeln besitzen, deren radial innere Etagen den Strömungsteil der Vorwärtsturbine und deren radial äußere Etagen den Strömunesteilder Rückwärtsturbine bilden.

Zum Strömungsteil der Vorwärtsturbine gehören noch zwei einetagige Zusatzstufen 4, die vor dem Leitschaufelkranz 2 mit den zweietagigen Schaufeln angeordnet sind.

Im Strömungskanal der Vorwärtsturbine liegt eine Absperreinrichtung in Form von Verstellschaufeln 5, die zur Sperrung des Zutritts des Strömungsmediums zur Überdeckung angebracht werden können.

Der Leitschaufelkranz der Rückwärtsturbine besteht aus feststehenden Leitschaufeln 6 und der der Vorwärtsturbine aus feststehenden Leitschaufeln 7. Zur Befestigung der beiden einetagigen Zusatzleitschaufelkränze 8 der Zusatzstufen 4 der Vorwärtsturbine dienen quer durch den Strömungskana! der Rückwärtsturbine ragende Stützen 9 eines strömungsgünstigen Profils, das keine Strömungslenkung bewirkt

Die Absperreinrichtung der Rückwärtsturbine zur Absperrung des Strömungsmediums in diese besteht aus einer Zylinderhülse 10 mit Fenstern 11, die koaxial zum Laufrad 12 der Rückwärtsturbine angeordnet ist Der Innendurchmesser der Zylinderhülse 10 entspricht etwa dem Außendurchmesser des Strömungsteils der Vorwärtsturbine. Über den Umfang der Zylinderhülse 10 erstreckt sich ein Deckband 13 mit einer zur Abdeckung der Hülsenfenster 11 ausreichenden Breite, wobei eine Vorrichtung 14 zur Radialverstellung dieses Deckband in zwei bestimmte Stellungen bewegen kann.

Der Läufer der Turbine besteht aus einer Welle 15, dem Laufrad 3 mit den zweietagigen Laufschaufeln und den beiden Laufrädern 16 der einetagigen Zusatzstufen 4 mit Laufschaufeln 17 sowie aus einer Kupplung 18 zum Anflanschen eines nicht abgebildeten Getriebes. Die Laufräder 3 und 16 sind mit der Welle 15 auf geeignete Weise, z. B. mittels Stiften verbunden.

Die Laufschaufeln 19 der Vorwärtsturbine sind durch ein umlaufendes und mit dem Zwischengehäuse 31 fluchtenden Deckband von den Laufschaufeln 20 der Rückwärtsturbine getrennt. Zur Verhinderung von Übertströmungen ist zwischen dem Deckband und der angrenzenden Stirnfläche des Zwischengehäuses eine Labyrinthdichtung 23 ausgebildet. Eine weitere Labyrinthdichtung 24 befindet sich zwischen dem Laufrad 3 und einem abdichtenden Deckel 25 des hinteren Stützkranzes 26, durch welche die Luftentweichung aus einem Ausgleichsraum A verhindert wird.

Der Läufer der Turbine ist in dem hinteren Stützkranz 26 mittels eines Kugellagers 29 und in einem vorderen Stützkranz 27 mittels eines Rollenlagers 28 gelagert. Die auftretenden Kräfte werden über Stützen 30 beider Stützkränze 26 und 27 auf das Turbinengehäuse 1 übertragen.

Der Strömungskanal der Rückwärt3turbine ist durch das Turbinengehäuse 1 und Zwischengehäuse 31 und 32 begrenzt, in welchen Ausschnitte zum Durchtritt der Stützen 30 ausgespart sind. Der Strömungskanal der Vorwärtsturbine ist durch die Zwischengehäuse 31 und 32 und Mantel 33 und 34 begrenzt Hinter den Stützen 30 des vorderen Stützkranzes befinden sich die Verstellschaufeln 5, die mittels in Lagern 36 drehbarer Zapfen 35 im Turbinengehäuse 1 und dem Mantel 33 befestigt sind.

Die Vorrichtung 14 zur Radialverstellung des Oeckbandes 13 besteht aus zwei Hebeln, einem Treibhebel 37 und einem angetriebenen Hebel 38 (F i g. 3), deren eine Enden mittels Zahnrädern 39 gekoppelt sind und deren andere Enden mit Laschen 40 und 41 der Deckbandenden 13 verbunden sind. Die Zahnräder 39 sind in einem Kasten 42 an der Außenseite

des Gehäuses 1 untergebracht, worin sie in Lagern 43 (F i g. 4) gelagert sind.

Als Antrieb dient ein Pneumozylinder 44 (Fig. 5), dessen Kolbenstange 45 auf die Achse 46 des Treibhebels 37 wirkt. Die Steuerung des Antriebes erfolgt durch Druckluft, die den Pneumozylinder über Stutzen 47, 48 beaufschlagt. Der Zylinder 49 des Pneumozylinders 44 ist am Kasten 42 der Radialverstellvorrichtung 14 befestigt

Der Pneumozylinder 44 dient gleichzeitig auch zur Drehung der Verstellschaufeln 5. Dazu ist der angetriebene Hebel 38 mit Hilfe von Hebeln 50 und eines Drehrings 51 mit den Verstellschaufeln 5 verbunden. Das ganze Steuerungssystem ist derart ausgeführt, daß beim öffnen der Fenster 1! der Zylinderhülse 10, d. h. bei der Verstellung des Deckbandes 13 nach außen die Drehung der Verstellschaufeln 5 im Sinne der Abdeckung des Strömungskanals der Vorwärtsturbine erfolgt und bei Abdeckung der Fenster 11 der Zylinderhülse 10, d. h. bei der Verstellung des Deckbandes 13 nach innen eine Drehung der Verstellschaufeln 5 im Sinne des öffnens des Strömungskanals der Vorwärtsturbine stattfindet

Die Umsteuerung der beschriebenen Axialumkehrturbine verläuft wie folgt:

Zur Vorwärtsfahrt des Schiffes muß die Vorwärtsturbine Leistung abgeben und der Strömungskanal der Rückwärtsturbine abgedeckt werden. Zu diesem Zweck gelangt Druckluft über den Stutzen 47 in den Pneumozylinder 44, dessen Kolben 52 sich abwärts bewegt und über die Kolbenstange 45 die Achse 46 des Treibhebels 37 dreht, die ihrerseits über die Zahnräder 39 die Achse 53 des angetriebenen Hebels 38 dreht. Die Hebel 37, 39 verstellen das Deckband 13 in Radialrichtung nach innen, so daß dieses sich dicht auf die Zylinderhülse 10 legt und die Fenster 11 abdeckt. Dabei bewirkt die Achse 53 des angetriebenen Hebels 38 über das Hebelsystem 50 und den Drehring 51 die Verstellung der Verstellschaufeln 5 im Sinne de; öffnens des Zustroms des Strömungsmediums in die Vorwärtsturbine. Diese beginnt Leistung abzugeber und das Schiff beginnt seine Fahrt voraus.

Um das Schiff in Rückwärtsfahrt zu versetzen, muC die Rückwärtsturbine beaufschlagt werden und dit Vorwärtsturbine mittels der Verstellschaufeln 5 abgesperrt werden. Dazu wird der Pneumozylinder 44 übei den Stutzen 48 mit Druckluft beaufschlagt, währenc über den Stutzen 47 entlüftet wird. Der Kolben 52 de! Pneumozylinders 44 bewegt sich aufwärts und drehi über die Kolbenstange 45 die Achse 46 des Treibhebeh 37, der mittels der Zahnräder 39 die Achse 53 de; angetriebenen Hebels 38 dreht Die Hebel 37, 3f verstellen das Deckband 13 radial nach außen, so da£ die Fenster 11 der Zylinderhülse 10 geöffnet werden unc das Strömungsmedium in die Rückwärtsturbine eintre ten kann. Gleichzeitig verstellt die Achse 53 de; angetriebenen Hebels 38 über das Hebelsystem 50 unc den Drehring 51 die Verstellschaufeln 5 im Sinne de; Abdeckens der Vorwärtsturbine. Die Turbine beginni Leistung abzugeben und die Drehrichtung des Turbi nenläufers und demzufolge auch der Schiffsschraube ändert sich und die Rückwärtsfahrt des Schiffes beginnt.

Es kann beim Manövrieren zweckmäßig sein, be Aufrechterhaltung des Betriebszustandes des die Turbi ne beaufschlagenden Gaserzeugers die Ausgangslei stung zu Null zu machen, um die Schiffsschraube zi stoppen bzw. leer laufen zu lassen. Hierzu ist es möglich die beschriebene Kinematik in eine selche Zwischen stellung zu bringen, daß die von Vorwärts- unc Rückwärtsturbine entwickelten Drehmomente einandei gleich sind und sich somit aufheben.

Die Steuerung der Turbine ohne Anhalten dei Verstellschaufeln 5 und des Deckbandes 13 ir Zwischenstellungen kann recht schnell, nämlich in 1 bis 5 see. durchgeführt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Axialumkehrturbine mit einem zweietagigen Leitschaufelkranz und einem in Strömungsrichtung des Arbeitsmittels nachfolgenden zweietagigen · Laufschaufelkranz, wobei die Leit- und Laufschaufeln der einen Etage zur Vorwärtsturbine gehören und diesen eine Absperreinrichtung in Form von Verstellschaufeln vorgelagert ist, und die Leit- und Laufschaufeln der anderen Etage die Rückwärtstur- u; bine bilden, vor denen stromaufwärts eine weitere Einrichtung zur Absperrung des Arbeitsmittelstroms vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Vorwärtsturbine gehörende Etage die radial innere Etage ist und die Einrichtung zur Absperrung des Arbeitsmittelstroms zur radial äußeren Rückwärtsturbine eine koaxial zur Turbinenwelle liegende Zylinderhülse (10) mit Fenstern (11) aufweist, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser des Zwischengehäuses (31, 32) zwischen den Etagen entspricht und die von einem Deckband (13) umgeben ist, dessen Breite zur Abdeckung der Fenster mindestens gleich deren axialer Erstreckung ist und das durch eine Vorrichtung (14) zur Radialverstellung in zumindest ..· · zwei fixierte Stellungen bewegbar ist, in deren innerer es unter Sperrung der Fenster dicht auf der Zylinderhülse aufliegt und in deren äußerer es unter Freigabe der Fenster etwa auf dem Außendurchmesser des Strömungsteils der Rückwärtsturbine liegt. ;■·

2. Axialumkehrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärtsturbine zumindest noch eine vor dem zweietagigen Leitschaufelkranz angeordnete einetagige Zusatzstufe (4) gehört.

3. Axialumkehrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (14) zur Radialverstellung des Deckbandes (13) an der Außenseite des Turbinengthäuses (1) angeordnet ist und zwei Hebel (37, 38) aufweist, deren jeder mit seinem einen Ende mit einem Deckbandende (13) ·ί verbunden ist und deren andere Enden über ein Zahngetriebe (39) gekoppelt sind.