DE2733066A1

DE2733066A1 - COMPRESSED GAS TURBINE

Info

Publication number: DE2733066A1
Application number: DE19772733066
Authority: DE
Inventors: Jun James Vincent Theis
Original assignee: Hollymatic Corp
Current assignee: Hollymatic Corp
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1978-08-10
Also published as: CA1061716A; GB1572934A; FR2380417B3; ES464749A1; SE433517B; NO772212L; IT1079869B; FR2380417A1; SE7707264L; NL7708414A; JPS5399104A

Description

Dipl. In₉. H. MITSCHERLICH D 8000 MÖNCHEN 22Dipl. In ₉ . H. MITSCHERLICH D 8000 MÖNCHEN 22

Dipl.-In₉. K. GUNSCHMANN Sieinsdorfstraße 10 Dipl.-In ₉ . K. GUNSCHMANN Sieinsdorfstrasse 10

Dr. r.r. npt. W. KÖRBER * ^(Οβ« ' ^M "'⁴ Dr. rr npt. W. KÖRBER * ^(Οβ «' ^M "' ⁴ Dipl.-In₉ J. SCHMIDT-EVERS 2733066Dipl.-In ₉ J. SCHMIDT-EVERS 2733066 PATENTANWÄLTE 4PATENT LAWYERS 4

21 . JuLi 1-J77 HOLLYMATIC CORPORATIOH
80 North Street
Park Forest, Illinois, V.St.A.21 . JuLi 1-J77 HOLLYMATIC CORPORATIOH
80 North Street
Park Forest, Illinois, V.St.A.

Patent application Pressure gas turbine

809832/0578809832/0578

BESCHREIBUNGDESCRIPTION

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit einem Druckgas betreibbare Antriebsmaschine bzw, einen Motor, bei dem ein sich mit hoher Geschwindigkeit bewegendes Gas mit Hilfe eines gekrümmten Satzes von Düsen auf den Rand eines Läufers geleitet wird, der den Auslassen der Düsen nahe benachbart ist„ Der Läufer ist an seinem Rand mit kreisbogenförmig gekrümmten Schaufeln versehen, von denen die von den Düsen abgegebenen Gasströme aufgenommen werden. Sowohl die Eingänge als auch die Ausgänge der Schaufeln sind am Rand des Läufers angeordnet« Nachdem das Gas über die gekrümmten Flächen der Schaufeln hinweggeströmt ist, die jeweils auf einer Sehne des Läuferrandes angeordnet sind, welche in unmittelbarer Nähe einer zu der Sehne parallelen Tangente des Läuferrandes verläuft, entweicht es über die Schaufelauslässe entgegen einem sehr niedrigen Gegendruck, so daß, die Geschwindigkeitsenergie des Gases mit einem sehr hohen Wirkungsgrad in ein Drehmoment verwandelt wird.The invention relates to an operable with a compressed gas Drive machine or a motor in which a gas moving at high speed with the help of a curved Set of nozzles is directed onto the edge of a runner which is close to the outlets of the nozzles " The runner is curved at its edge with a circular arc Provided blades from which the gas streams discharged from the nozzles are received. Both the entrances as well as the outlets of the blades are arranged at the edge of the rotor «after the gas over the curved surfaces of the Blades has flowed away, each of which is arranged on a chord of the rotor edge, which is in the immediate vicinity If a tangent of the rotor edge runs parallel to the chord, it escapes through the blade outlets in the opposite direction very low back pressure, so that, the velocity energy of the gas with a very high efficiency in a torque is transformed.

Die Druckgas-Antriebsmaschine oder Turbine nach der Erfindung unterscheidet sich bezüglich des Wirkungsgrades der Energieumwandlung von den bekannten, mit mehrfacher Beaufschlagung arbeitenden Turbinen. Solche Turbinen bekannter Art sind in zahlreichen älteren Patentschriften beschrieben, z.B. den US-PSen 748 678, 751 589, 845 059, 910 428, 979 077, 911 492, 985 885, 992 433, 1 145 144, 1 546 744 und 3 197 177.The compressed gas drive machine or turbine according to the invention differs with regard to the efficiency of the energy conversion from the known ones with multiple loads working turbines. Such turbines of known type are described in numerous earlier patents, e.g. U.S. Patents 748,678, 751,589, 845,059, 910,428, 979,077, 911,492, 985,885, 992,433, 1,145,144, 1,546,744, and 3,197,177.

Gemäß der Erfindung hat es sich gezeigt, daß sich eine erhebliche Steigerung der Leistung erzielen läßt, wenn man dafür sorgt, daß ein gerader Strömungsweg für das Gas vorhanden ist, das von den Düsen aus durch die Schaufeln zu einem Raum strömt, in dem das dort vorhandene Medium einen niedrigen Gegendruck aufweist. Hierfür bestehen zahlreiche Gründe, Bei einer Aktionsturbine, die mit mehrfacher* Beaufschlagung arbeitet, und bei According to the invention it has been found that a significant increase in performance can be achieved if one ensures that there is a straight flow path for the gas flowing from the nozzles through the blades to a space in which there is existing medium has a low back pressure. There are numerous reasons for this, with an action turbine that works with multiple * admission, and with

809832/0578809832/0578

- er-- he

der das Gas nacheinander mehrere Sätze von Beaufschlagungsstufen durchströmt, nimmt die Relativgeschwindigkeit des von einer Stufe zur nächsten strömenden Gases ständig ab, während die Dichte des Gases konstant bleibt. Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, mit der das Gas die Umleitungskanäle und die Schaufelsätze durchströmt, muß die Querschnittsfläche des Gasstroms im umgekehrten Verhältnis zunehmen.that the gas flows through several sets of admission stages one after the other, takes the relative speed of the from one stage to the next flowing gas, while the density of the gas remains constant. When the speed with which the gas flows through the diversion channels and the blade sets decreases, the cross-sectional area of the gas flow must increase in inverse proportion.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, diese Aufgabe, die Querschnittsfläche des Gasstroms zu vergrößern, während die Geschwindigkeit von einer Stufe zur nächsten abnimmt, dadurch zu lösen, daß man einen Ausweg vorsieht, der von einem Teil des Gasstroms durchströmt werden kann, bevor die gesamte kinetische Energie bei der erneuten Beaufschlagung in nutzbare Arbeite umgewandelt wird» Diese Lösung hat sich jedoch als unbefriedigend erwiesen, und daher haben solche Turbinen mit Wiederbeaufschlagungsstufen niemals einen hohen Wirkungsgrad erreicht. Ferner wird das sich mit hoher Geschwindigkeit bewegende Gas, das sämtliche einander nachgeschalteten Wiederbeaufschlagungsstufen durchströmt, zahlreichen Wirkung ausgesetzt, da es in den verschiedenen Stufen einen langen und gewundenen Strömungsweg passieren muß, und da sich bei den einzelnen Stufen jeweils nicht die richtigen Eintrittswinkel ergeben, weil der Läufer mit einer konstanten Geschwindigkeit umläuft. Hierbei besteht die Tendenz, daß die kinetische Energie des Gasstroms in Wärme verwandelt wird, statt Arbeit zu leisten, um ein Drehmoment auf den Läufer aufzubringen.It has already been proposed to do this, the cross-sectional area to increase the gas flow while the velocity decreases from one stage to the next, thereby to solve that one provides a way out through which part of the gas flow can flow before the entire kinetic Energy is converted into usable work when it is re-applied »However, this solution has proven to be proved unsatisfactory and therefore such turbines with re-admission stages are never highly efficient achieved. Furthermore, the gas moving at high speed will be responsible for all subsequent re-admission stages flowed through, exposed to numerous effects, since there is a long and in the various stages Meandering flow path has to happen, and since the correct entry angle is not in each case in the individual stages result because the runner rotates at a constant speed. There is a tendency that the kinetic energy of the gas flow is converted into heat instead of doing work to apply torque to the rotor.

Im Gegensatz hierzu braucht sich bei der erfindungsgemäßen Turbine der eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Gasstrom nicht längs eines langen Strömungswegs zu bewegen, um seine Energie an die Läuferwelle abzugeben, sondern er strömt auf dem kürzesten möglichen Weg von den Düsen aus durch die Schaufeln zur Abgasseite· Zahlreiche Versuche haben gezeigt, daß eine solche Vermeidung der Verwendung von Wiederbeaufschla-In contrast to this, in the turbine according to the invention, the high-speed gas flow does not need to move along a long flow path in order to transfer its energy to the rotor shaft, but rather flows on the shortest possible path from the nozzles through the blades to the exhaust gas side tests have shown that such avoiding the use of Wiederbeaufschla-

809832/0576809832/0576

-r--r-

gungsstufen bekannter Art in Verbindung mit einer entsprechenden Steigerung der Umfangsgeschwindigkeit des Turbinenläufers zu einer erheblichen Erhöhung des Wirkungsgrades führt. Der Wirkungsgrad bemißt sich nach dem Grad der Umwandlung der potentiellen Energie des Druckgases in über die Welle abgegebene Leistung, und bei der erfindungsgemäßen Turbine ist dieser Wirkungsgrad, soweit bekannt, erheblich höher als bei den bis jetzt bekannten Maschinen dieser Art.steps of a known type in connection with a corresponding Increasing the peripheral speed of the turbine rotor leads to a considerable increase in efficiency leads. The efficiency is measured according to the degree of conversion of the potential energy of the compressed gas in via the shaft output power, and with the turbine according to the invention this efficiency is, as far as known, considerably higher than at the machines of this type known up to now.

Zu der erfindungsgemäßen Turbine gehört ein Läufer mit einem kreisrunden Rand, der in einem Gehäuse um eine Achse drehbar gelagert ist. Am Rand des Läufers ist ein einziger Satz von einander nahe benachbarten Aktionsschaufeln angeordnet, von denen jede auf einer Sehne des Randes angeordnet ist, die einer zu ihr parallelen Tangente des Läuferrandes benachbart ist. Jede Schaufel hat eine gekrümmte Aktionsfläche, die quer zur Drehrichtung des Läufers einen im wesentlichen konstanten Radius hat und sich von einer Eingangsseite am Rand des Läufers zu einer Austrittsseite auf der entgegengesetzten Seite am Rand des Läufers erstreckt.The turbine according to the invention includes a rotor with a circular edge which is rotatably mounted in a housing about an axis. At the edge of the runner is a single set of arranged closely adjacent action shovels, each of which is arranged on a chord of the edge, the is adjacent to a tangent of the rotor edge parallel to it. Each shovel has a curved action surface that transversely has a substantially constant radius to the direction of rotation of the rotor and extends from an input side at the edge of the rotor extends to an exit side on the opposite side at the edge of the runner.

Ferner gehört zu der Turbine ein kreisbogenförmiger Satz von Gasdüsen, die den Läufer über seinen ganzen Umfang oder einen Teil des Umfangs umgeben. Die Düsen sind dem Rand des Läufers nahe benachbart, und jede Düse weist einen axialen Gaskanal auf, durch den ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise mit Überschallgeschwindigkeit, erzeugt und über den Düsenauslaß auf die Schaufeln geleitet wird. The turbine also includes a circular arc-shaped set of gas nozzles which surround the rotor over all or part of its circumference. The nozzles are adjacent to the edge of the rotor near, and each nozzle has an axial gas channel, is by the gas generates a stream of high velocity, preferably supersonic speed, and passed through the nozzle outlet onto the blades.

Jeder Düsenauslaß steht im wesentlichen in geradliniger Fluchtung mit den Schaufeleinlässen des sich drehenden Läufers, und es sind Einrichtungen vorhanden, mittels welcher im wesentlichen die gesamten von den Düsen abgegebenen Gasströme unmittel bar den Eingängen der Schaufeln zugeführt werden, so daß sie über die Aktionsflächen hinwegströmen und über die Schaufelauslässe entweichen« Each nozzle outlet is essentially in straight line with the blade inlets of the rotating rotor, and there are devices by means of which essentially all of the gas streams emitted by the nozzles are fed to the inlets of the blades so that they flow over the action areas and escape through the shovel outlets "

809832/0578809832/0578

Bei der bevorzugten Ausfübrungsform erstreckt sich jede gekrümmte Aktionsfläche bei jeder Schaufel ohne Rücksicht darauf, ob die Schaufel offen oder rohrförmig ist, zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite über einen Winkelbereich von etwa 180°,> Ferner haben bei der bevorzugten Ausführungsform die Düsen an allen Punkten längs ihrer Mittelachse einen rechteckigen Querschnitt, und die Schaufeln haben ebenfalls vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsform. Die Düsen sind so angeordnet, daß die Mittelachse jeder Düse auf einer Sehne des Läufers liegt, die einer Tangente am Rand des Läufers näher benachbart ist als die Ebene der Aktionsfläche jeder SchaufeleIn the preferred embodiment, each extends curved Action area for each shovel, regardless of whether the shovel is open or tubular, between the entry side and the exit side over an angular range of about 180 °,> Furthermore, in the preferred embodiment, the nozzles have one at all points along their central axis rectangular cross-section, and the blades also preferably have a rectangular cross-sectional shape. The nozzles are arranged so that the central axis of each nozzle lies on a chord of the runner which is a tangent to the edge of the runner is closer than the plane of the action surface of each blade

Bei einer Ausführungsform ist der kreisrunde Rand des Läufers außerhalb jeder Schaufel und in ihrer Nähe mit einer flachen, im wesentlichen rechteckigen Aussparung versehen, die in Fluchtung mit der Eintrittsseite und der Austrittsseite der betreffenden Schaufel angeordnet ist und sich zwischen den äußersten seitlichen Begrenzungen der betreffenden Schaufel erstreckt, In one embodiment, the circular edge is the runner provided outside and in the vicinity of each blade with a flat, substantially rectangular recess which is in alignment with the entry side and the exit side of the relevant The blade is arranged and extends between the extreme lateral boundaries of the blade in question,

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. It shows:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Druckgasturbine nach der Erfindung; Fig. 1 is a side view of a pressure gas turbine according to the invention;

Fig. 2 den Schnitt 2-2 in Fig. 1;FIG. 2 shows section 2-2 in FIG. 1; FIG.

Fig. 3 die Rückseite der Turbine nach Fig. 1;3 shows the rear side of the turbine according to FIG. 1;

Fig. 4 eine Teilansicht der Turbine nach Fig. 3 bei Betrachtung derselben von der Linie 4-4 in Fig. 3 aus;Figure 4 is a partial view of the turbine of Figure 3 as viewed the same from the line 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 in einem Fig. 2 ähnelnden Schnitt eine weitere AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Turbine;FIG. 5 shows a further embodiment in a section similar to FIG. 2 a turbine according to the invention;

809832/0578809832/0578

Fig, 6 eine vergrößerte, als Schnitt gezeichnete Teildarstellung einer Turbine nach der Erfindung;6 shows an enlarged partial illustration, drawn as a section, of a turbine according to the invention;

Fig. 7 einen Teilschnitt einer Ausführungsform eines Turbinenläufers; 7 shows a partial section of an embodiment of a turbine rotor;

Fig, 8 den Läufer nach Fig. 7 in einer teilv/eise als Schnitt gezeichneten Stirnansicht;8 shows the runner according to FIG. 7 in part as a section drawn front view;

Figo 9 einen Teilschnitt im Bereich des Läufers und der Düsenplatte, wobei nur eine der Düsen dargestellt ist;9 shows a partial section in the area of the rotor and the nozzle plate, only one of the nozzles being shown is;

Fig«, 10 eine Teil da rs te llung einer weiteren Aus führungs form eines Turbinenläufers;Fig. 10 shows a part of a further embodiment a turbine runner;

Fig. 11 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Turbinenläufers;11 shows a partial section of a further embodiment a turbine runner;

Fig. 12 einen Teilschnitt längs der Linie 13-13 in Fig. 11, aus dem der Strömungsweg eines Gasstroms gegenüber einer umlaufenden Schaufel ersichtlich ist;FIG. 12 shows a partial section along the line 13-13 in FIG. 11, from which the flow path of a gas flow in relation to a rotating blade can be seen;

Fig. 13 und 14 in Fig. 10 bzw„ 11 ähnelnden Darstellungen eine weitere Ausführungsform eines Turbinenläufers;FIGS. 13 and 14 in representations similar to FIGS. 10 and 11, respectively another embodiment of a turbine runner;

Fig. 15 einen Teilschnitt des Läufers und der ihn umschließenden Düsenplatte einer AusfUhrungsform einer Turbine mit konvergent-divergenten Düsen;15 shows a partial section of the runner and the surrounding areas Nozzle plate of an embodiment of a turbine with convergent-divergent nozzles;

Fig» 16 eine Fig« 14 ähnelnde Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;16 shows a representation similar to FIG. 14 of a further embodiment the invention;

Fig, 17 die Stirnansicht eines Teils des Randes des Läufers nach Fig, 15, aus der ein Satz von drei rohrförmigen Schaufeln ersichtlich ist;FIG. 17 is an end view of part of the edge of the rotor of FIG. 15, from which a set of three tubular blades can be seen;

809832/0676809832/0676

Fig. 18 einen Teilschnitt längs der Linie 18-18 in Fig. 16; undFig. 18 is a partial section along line 18-18 in Fig. 16; and

Fig· 19, 20 und 21 jeweils einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Düsenplatte.19, 20 and 21 each show a partial section of another Embodiment of a nozzle plate.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 gehört zu der Gasturbine 10 ein Gehäuse 11, das sich aus zwei miteinander verschraubten Hälften zusammensetzt, wobei die eine Hälfte ein Eintrittsschneckengehäuse 12 und die andere Hälfte ein Austrittsschneckengehäuse 13 bildet. Das durch den Pfeil 14 angedeutete Druckgas tritt in die Gehäusehälfte 12 ein, um die Düsen und die Schaufeln zu durchströmen und dann in Richtung des Pfeils 15 aus der Gehäusehälfte 13 zu entweichen.In the embodiment according to FIGS. 1 to 4 belongs to the gas turbine 10 a housing 11, which is composed of two halves screwed together, one half being a Inlet screw housing 12 and the other half an outlet screw housing 13 forms. The indicated by the arrow 14 compressed gas enters the housing half 12 to the To flow through the nozzles and the blades and then to escape from the housing half 13 in the direction of the arrow 15.

In dem Gehäuse 11 ist in durch einen axialen Abstand getrennten Kugellagern 17 eine Läuferwelle 16 gelagert, und das Eintrittsschneckengehäuse 12 weist eine axiale rohrförmige Verlängerung 18 auf, gegenüber welcher die Läuferwelle durch eine durch Aufbringen von Druck verformbare Dichtung 19 abgedichtet ist«,In the housing 11, a rotor shaft 16 and the inlet screw housing are supported in ball bearings 17 separated by an axial distance 12 has an axial tubular extension 18, opposite which the rotor shaft through a deformable seal 19 sealed by the application of pressure is",

Das andere Ende 22 der Läuferwelle 16 auf der von der Dichtung 19 abgewandten Seite ist in eine mit dem Gehäuse 11 durch Schrauben 24 verbundene Kappe 23 eingeschlossen. Zu der Welle 16 gehört ferner ein Endabschnitt 25, der gegenüber dem linken Ende 22 gemäß Fig. 2 nach rechts versetzt ist und einen ringförmigen Flansch 26 aufweist, mit dem ein runder Läufer 27 durch mehrere Kopfschrauben 28 verbunden ist. Die Welle 16, die rohrförmige Gehäuseverlangerung 18, die Dichtung 19, die Kappe 23 und der Läufer 27 sind gleichachsig mit der die Mittelachse der Turbine bildenden Drehachse 33 angeordnet.The other end 22 of the rotor shaft 16 on that of the seal The side facing away from 19 is enclosed in a cap 23 connected to the housing 11 by screws 24. To the wave 16 also includes an end section 25, which is offset to the right with respect to the left end 22 according to FIG. 2, and one has annular flange 26, with which a round rotor 27 is connected by a plurality of cap screws 28. The wave 16, the tubular housing extension 18, the seal 19, the The cap 23 and the rotor 27 are arranged coaxially with the axis of rotation 33 which forms the central axis of the turbine.

Zwischen der Eintrittshälfte 12 und der Austrittshälfte 13 des Gehäuses 11 ist eine ringförmige Düsenplatte 29 angeordnet, An annular nozzle plate 29 is arranged between the inlet half 12 and the outlet half 13 of the housing 11,

809832/0576809832/0576

die gemäß Fig. 6 mit einem Satz einander nahe benachbarter Düsen 30 versehen ist. Gemäß Fig, 3 werden die Gehäusehälften 12, 13 und die Düsenplatte 29 durch in Umfangsabständen verteilte Kopfschrauben 34 zusammengehalten.which, according to FIG. 6, is provided with a set of nozzles 30 which are close to one another. According to FIG. 3, the housing halves 12, 13 and the nozzle plate 29 distributed through circumferentially spaced Head screws 34 held together.

Das Eintrittsschneckengehäuse 12 ist mit einem Schneckenkanal 35 von großem Volumen versehen, der sich an einen Eintrittsstutzen 36 anschließt, \ind dem das Druckgas in Richtung des Pfeils 14 zugeführt wird. Das Austrittsschneckengehäuse 13» das gegenüber dem Eintrittsschneckengehäuse 12 angeordnet ist, wobei die Düsenplatte 29 in der beschriebenen Weise zwischen den Gehäusehälften liegt, weist einen Schneckenkanal 37 von großem Volumen auf, an den sich ein Austrittsstutzeη 38 für das in Richtung des Pfeils 15 entweichende Gas anschließt.The inlet screw housing 12 is provided with a screw channel 35 provided of large volume, which connects to an inlet port 36, \ ind which the pressurized gas in the direction of the Arrow 14 is supplied. The outlet screw housing 13 »which is arranged opposite the inlet screw housing 12, the nozzle plate 29 lying between the housing halves in the manner described, has a screw channel 37 of large volume to which a Ausittsstutzenη 38 for the gas escaping in the direction of arrow 15 is connected.

Gemäß Fig. 6 und 9 weist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel jede Düse 30 einen konvergierenden Einlaß 39» einen engsten Querschnitt 42 und einen divergierenden Auslaß 43 auf, die einen axialen Gaskanal bilden, mittels dessen den Läuferschaufeln ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit zugeführt werden kann. Dieser Gasstrom 54, der sich gegenüber der Düse gewöhnlich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, erstreckt sich längs der Mittelachse 44 jeder Düse 30 _a According to FIGS. 6 and 9, in the embodiment described here, each nozzle 30 has a converging inlet 39 ', a narrowest cross section 42 and a diverging outlet 43, which form an axial gas channel by means of which a gas flow can be supplied to the rotor blades at high speed. This gas stream 54, which usually moves at supersonic speed with respect to the nozzle, extends along the central axis 44 of each nozzle 30 _a

Gemäß Fig. 7 und 8 weist der Läufer 27 einen einzigen Satz von einander nahe benachbarten Aktionsschaufeln 45 auf, wobei jede Schaufel eine gekrümmte Aktionsfläche 46 besitzt, die sich quer zu der durch den Pfeil 47 bezeichneten Drehrichtung des Läufers erstreckt und einen im wesentlichen konstanten Radius hat. Diese Schaufelflächen 46 erstrecken sich von der Eintrittsseite 48 jeder Schaufel, die der Seite 49 benachbart ist, zu einer Austrittsseite 52 auf der anderen Seite des Läufers, die der entgegengesetzten Seite 53 der Schaufeln benachba .-t ist. Der Gasstrom 54 tritt in jede Schaufel auf der Eintrittsseite 48 ein, um im wesentlichen ungehindert über die7 and 8, the rotor 27 has a single set of closely adjacent action blades 45, wherein each blade has a curved action surface 46 which extends transversely to the direction of rotation indicated by the arrow 47 of the rotor extends and has a substantially constant radius. These vane surfaces 46 extend from the Entry side 48 of each vane adjacent to side 49 to an exit side 52 on the other side of the rotor, that is adjacent to the opposite side 53 of the blades. The gas stream 54 enters each vane on the entry side 48 one to be essentially unimpeded over the

809832/0578809832/0578

gekrümmte Aktionsfläche 46 hinwegzuströmen und dann auf der Austrittsseite 52 jeder Schaufel wieder zu entweichen»Curved action surface 46 to flow away and then on the Exit side 52 of each blade to escape again »

Gemäß Fig. 2 gibt die Austrittsseite jeder Schaufel das Gas unmittelbar an einen Raum ab, in dem ein niedriger Gegendruck herrscht, und der durch den Austrittsschneckenkanal 37 von großem Querschnitt und den entsprechend großen Austrittsstutzen 38 gebildet wird. Der Gegendruck ist definiert als ein Druck, der gleich dem konstruktionsbedingten Druck des Düsengasstrahls 54 nach Fig« 9 oder höher als dieser Druck ist. In vielen Fällen ist dieser Gasstrahldruck gleich dem Druck der Atmosphäre. In bestimmten Fällen kann jedoch ein Gasstrahldruck von etwa 3»5 bis 7 bar oder darüber erwünscht sein, und hierbei würde der niedrige Gegendruck entsprechend höher sein.According to Fig. 2, the exit side of each blade releases the gas directly to a space in which there is a low counterpressure, and which through the outlet screw channel 37 of large cross-section and the correspondingly large outlet nozzle 38 is formed. The back pressure is defined as a Pressure which is equal to the design-related pressure of the nozzle gas jet 54 according to FIG. 9 or is higher than this pressure. In many cases this gas jet pressure is equal to the pressure of the atmosphere. In certain cases, however, a gas jet pressure of about 3 »5 to 7 bar or more would be desirable, and here the low back pressure would be correspondingly higher.

Zu der Düsenanordnung gehören die Düsenplatte 29 und der gekrümmte Satz von Düsen 30, von denen jede einen sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Gasstrahl erzeugt. Gemäß Fig. 2 wird die Düsenplatte 29 durch einen Ring 31 in ihrer Lage gehalten. Jedes Ende der Läuferwelle 16 ist mit Keilbahnen 40 versehen, und auf der linken Seite der Kugellager 17 ist eine Lagerkappen- und Fettdichtungsanordnung 20 vorhanden«To the nozzle array includes the nozzle plate 29 and the curved set of nozzles 30, each of which generates a moving high velocity gas jet. According to FIG. 2 , the nozzle plate 29 is held in place by a ring 31. Each end of the rotor shaft 16 is provided with keyways 40 , and on the left side of the ball bearings 17 there is a bearing cap and grease seal arrangement 20 «

Gemäß Fig. 9 gehören zu der Düsenanordnung auch Einrichtungen, die dazu dienen, jeweils im wesentlichen den gesamten Gasstrahl 54 in die Schaufeleinlässe 48 zu leiten, damit sie über die Aktionsflächen 46 hinwegströmen und auf der Auslaßseite 52 aus den Schaufeln entweichen. Hierzu gehört ein Strömungsleitorgan 55» das einen festen Bestandteil der Düsenplatte 29 bildet und jeden Gasstrom 54 auf der Außenseite an einer Fläche 56 abgrenzt. Gemäß Fig. 9 verläuft diese Begrenzungsfläche 56 und damit auch die äußere Begrenzung jedes Gasstrahls 54 im wesentlichen tangential zur Umfangsflache 57 des Läufers. According to FIG. 9 , the nozzle arrangement also includes devices which serve to guide essentially the entire gas jet 54 into the blade inlets 48 so that they flow over the action surfaces 46 and escape from the blades on the outlet side 52. This includes a flow guide element 55 which forms a fixed component of the nozzle plate 29 and delimits each gas flow 54 on the outside at a surface 56. According to FIG. 9, this boundary surface 56 and thus also the outer boundary of each gas jet 54 runs essentially tangentially to the circumferential surface 57 of the rotor.

Zu dem Gaseintrittsstutzen 36 und dem Eintrittsschneckenkanal,To the gas inlet nozzle 36 and the inlet screw channel,

809832/0576809832/0576

der zu den Düseneinlässen führt, wie es in Fig. 2 durch den Pfeil 58 angedeutet ist, gehört eine Einrichtung, die es ermöglicht, das Druckgas, das in Richtung des Pfeils 14 eintrifft, allen Düsen 30 zuzuführen, und die Austrittsschnecke 37 mit dem Austrittsstutzen 38 weist eine Einrichtung zum Abführen des verbrauchten Gases auf«,which leads to the nozzle inlets, as shown in FIG. 2 by the Arrow 58 is indicated, includes a device that enables the compressed gas that arrives in the direction of arrow 14, to all nozzles 30, and the outlet screw 37 with the outlet nozzle 38 has a device for discharge of the gas used «,

Gemäß Fig. 7 sind einander benachbarte Schaufeln 45 voneinander durch Wände 59 getrennt, die mit dem Läufer 27 zusammenhängen und jeweils eine dünne Kante 62 aufweisen. Diese dünne Kante unterteilt den Gasstrom 54 derart, daß er in einander benachbarte Schaufeln 45 eintritt, wenn sich die Kante an den Düsenauslässen 43 nach Fig. 6 vorbeibewegt. Gemäß Fig. 7 und 8 ist die weiter innen liegende Fläche 65 jeder Schaufel 45, die der Drehachse 33 des Läufers näher benachbart ist, konvex ausgespart, so daß der sich über diese Fläche hinweg bewegende Gasstrahl 54 aus jeder Düse eine einem Tragflügelprofil ähnelnde Fläche bildet, an der ein niedriger Druck herrscht, wodurch das durch den Läufer entwickelte Drehmoment verstärkt wird» In Fig. 9 fällt die Mittelachse 44 der Düse mit dem den Gasstrahl bezeichnenden Pfeil 54 zusammen, um anzudeuten, daß sich der Gasstrahl längs einer Sehne bewegt, die einer Tangente am Rand 57 des Läufers näher benachbart ist als die Ebene der Aktionsfläche 46 jeder Schaufel.According to FIG. 7, adjacent blades 45 are separated from one another by walls 59 which are connected to the rotor 27 and each have a thin edge 62. This thin edge divides the gas stream 54 so that it enters adjacent blades 45 when the edge moves past the nozzle outlets 43 of FIG. 7 and 8, the inner surface 65 of each blade 45, which is closer to the axis of rotation 33 of the rotor, is convexly recessed, so that the gas jet 54 moving over this surface from each nozzle forms a surface resembling an airfoil profile , at which there is a low pressure, which increases the torque developed by the rotor. In Fig. 9, the central axis 44 of the nozzle coincides with the arrow 54 denoting the gas jet to indicate that the gas jet is moving along a chord which is closer to a tangent at the edge 57 of the rotor than the plane of the action surface 46 of each blade.

Die reichlich bemessenen Gasströmungskanäle 36, 35, 37 und ermöglichen es dem Gas, relativ ungehindert zu den Düsen 30 und durch die Läuferschaufeln 45 zu strömen und nach der Abgabe von Energie an die Schaufeln wieder aus dem Läufer zu entweichen. Hierbei wird der Läufer durch das Druckgas unter Erzielung eines sehr hohen Wirkungsgrades gedreht, und gleichzeitig wird die Temperatur des Gases erheblich verringert, so daß das gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeils 15 entweichende Gas erheblich kühler ist als das zugeführte Gas, und daß mit Hilfe dieses Gases sogar eine Kühlwirkung hervorgerufen werden kann.The generously sized gas flow channels 36, 35, 37 and allow the gas to flow relatively unimpeded to the nozzles 30 and the rotor blades 45 and to escape out of the rotor after the delivery of energy to the blades. Here, the rotor is rotated by the compressed gas to achieve a very high degree of efficiency, and at the same time the temperature of the gas is considerably reduced so that the escaping gas according to FIG The help of this gas can even produce a cooling effect.

809832/0578809832/0578

Jeder Düsenauslaß 43 kommt während der Drehung des Läufers 27 in geradlinige Fluchtung mit jedem Schaufeleingang 48. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat jede Schaufel 45 gemäß Fig. 8 eine Aktionsfläche 46, die sich über einen Winkelbereich von etwa 180° erstreckt, so daß dann, wenn der Läufer die in Fig. 9 gezeigte Lage einnimmt, das von jeder Düse 30 mit hoher Geschwindigkeit abgegebene Gas 54 in jede Schaufel auf der Einlaßseite 48 eintritt, über die Aktionsfläche 46 hinwegströmt und dann auf der Auslaßseite 52 entweicht. Der sehr hohe Wirkungsgrad und die je Einheit der zugeführten Gasmenge erzielbare sehr hohe Wellenleistung ergeben sich daraus, daß sich das Gas gegenüber dem Läufer innerhalb eines Winkelbereichs von 180° bewegt, daß das Gas in die Schaufeln in einem möglichst kleinen Abstand von einer Tangente an dem Läufer eintritt, und daß diese tangentiale Strömung des Gases dadurch gewährleistet ist, daß gemäß Fig. 9 für jede Düse eine den Gasstrom zusammenhaltende Wandfläche 56 vorhanden ist.Each nozzle outlet 43 comes into straight line alignment with each vane inlet 48 as the rotor 27 rotates. In the preferred embodiment, each paddle has 45 according to FIG. 8, an action area 46 which extends over an angular range extends from about 180 °, so that when the runner assumes the position shown in Fig. 9, that of each Nozzle 30 discharged gas 54 at high speed into each The blade enters on the inlet side 48, flows over the action surface 46 and then escapes on the outlet side 52. The very high efficiency and the very high shaft power that can be achieved per unit of the amount of gas supplied result from the fact that the gas moves relative to the rotor within an angular range of 180 ° that the gas in the Blades at as small a distance as possible from a tangent to the rotor occurs, and that this tangential flow of the gas is ensured that, according to FIG. 9, a wall surface holding the gas flow together for each nozzle 56 is present.

Eine erfindungsgemäße Turbine mit einem Durchmesser von etwa 120 mm, der Druckluft unter einem Druck von etwa 7 bar bei einer Temperatur von etwa 27⁰C zugeführt wird, liefert bei einem Druckluftverbrauch von etwa 2,9 - 3»4 m /min eine Leistung von 7 PS. Somit verbraucht die Turbine je Wellen-PS nur etwa 0,42 - 0,48 m⁵/min an Druckluft. Dies dürfte etwa der Hälfte oder einem noch kleineren Bruchteil des Druckluftverbrauchs je Leistungseinheit entsprechen, der sich unter entsprechenden Bedingungen bei Aktionsgasturbineη bekannter Art ergibt.A turbine according to the invention with a diameter of about 120 mm, to which compressed air is ^{supplied under a pressure of about 7 bar at a temperature of about 27 °} C., delivers an output of about 2.9-3 »4 m / min with a compressed air consumption of about 2.9-3» 4 m / min 7 hp. The turbine therefore only consumes around 0.42 - 0.48 m ⁵ / min of compressed air per shaft horsepower. This should correspond to about half or an even smaller fraction of the compressed air consumption per power unit, which results under corresponding conditions in the known type of action gas turbine.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist gemäß Fig. 7 die zu jeder Schaufel 45 führende ebene Fläche 65 gegen die Aktionsfläche 46 der Schaufel geneigt. Die geneigte Fläche 65 hat eine annähernd quadratische Grundrißform, wobei die Querabmessung im wesentlichen durch den Schaufeldurchmesser und dieIn the preferred embodiment, according to FIG. 7, the to Each blade 45 leading flat surface 65 inclined towards the action surface 46 of the blade. The inclined surface 65 has an approximately square plan shape, the transverse dimension being essentially defined by the blade diameter and the

809832/0578809832/0578

-vr--vr-

Länge der Fläche durch den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden scharfen Kanten 62 bestimmt ist. Beispielsweise waren bei einem Läufer mit einem Durchmesser von etwa 120 mm und einer Breite von etwa 14,2 mm 30 in gleichmäßigen Umfangsabständen verteilte Schaufeln 45 am Rand 66 des Läufers 27 ausgebildet, und über den Umfang der den Läufer umgebenden Düsenplatte 29 waren 20 Düsen 30 in gleichmäßigen Abständen verteilteLength of the surface by the distance between two consecutive ones sharp edges 62 is determined. For example, in a runner with a diameter of about 120 mm and a width of about 14.2 mm 30 at uniform circumferential intervals distributed blades 45 formed on the edge 66 of the rotor 27, and over the circumference of the one surrounding the rotor Nozzle plate 29, 20 nozzles 30 were evenly spaced

Es wird angenommen, daß es mehrere Hauptursachen für den hohen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Turbine und ihre hohe Wellenleistung je Einheit des zugeführten Druckgases gibtj hierzu gehört, daß das Druckgas veranlaßt wird, dynamische Gasströme 54 zu bilden, daß im wesentlichen die gesamte Gasmenge den Schaufeln 45 im wesentlichen tangential zum Läufer zugeführt wird, und daß die Gasströme so über die gekrümmten Aktionsflächen 46 geleitet werden, daß sie über die Austrittsseite 52 jeder Schaufel entweichen, wobei sich sowohl die eintretenden Gasströme 54 als auch die in Richtung des Pfeils 63 in FIg₀ 12 entweichenden Gasströme in der bei allen Ausführungsformen vorgesehenen V/eise im wesentlichen tangential zum Läufer und im wesentlichen parallel zueinander sowie im rechten Winkel zur Drehachse 33 bewegen, wobei das verbrauchte Gas von einem von Hindernissen freien Raum aufgenommen wird.It is believed that there are several main causes for the high efficiency of the turbine according to the invention and its high shaft power per unit of the compressed gas supplied, one of which is that the compressed gas is caused to form dynamic gas flows 54, that essentially the entire amount of gas in the blades 45 substantially tangentially supplied to the rotor, and that the gas streams are passed over the curved action surfaces 46 that they escape of each blade on the outlet side 52, with both the incoming gas streams 54 and escaping in the direction of arrow 63 in FIG ₀ 12 Move gas streams in the manner provided in all embodiments essentially tangentially to the rotor and essentially parallel to one another and at right angles to the axis of rotation 33, the used gas being taken up by a space free of obstacles.

Die hohe Leistung dieser Turbine wird dadurch erzielt, daß die Geschwindigkeit jedes der durch den Pfeil 54 bezeichneten Gasströme gegenüber dem Boden dadurch auf einem möglichst niedrigen Wert gehalten wird, daß die Gasströme die umlaufenden Turbinenschaufeln passieren.The high output of this turbine is achieved by the fact that the speed of each of the indicated by the arrow 54 is achieved Gas flows relative to the bottom is kept at the lowest possible value in that the gas flows are circulating Turbine blades pass.

Ein sehr wichtiger Faktor, der ebenfalls zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades und einer hohen Wellenleistung je Einheit des zugeführten Druckgases beiträgt, besteht offenbar darin, daß das verbrauchte Gas aus dem Läufer so abgeführt wird, daßA very important factor, which is also used to achieve a high degree of efficiency and a high shaft power per unit of the supplied compressed gas is apparently that the used gas is discharged from the rotor so that

809832/0576809832/0576

es im wesentlichen nicht auf Strömungshindernisse trifft. Zu diesem Zweck ist der AustrittsSchneckenkanal 37 ebenso wie der Austrittsstutzen 38 von Hindernissen freigehalten, und es sind große Querschnitte vorhanden.it essentially does not encounter any flow obstacles. To this end, the exit screw channel 37 is as well the outlet nozzle 38 is kept free of obstacles, and there are large cross-sections.

Gemäß Fig. 9 richtet jede Begrenzungsfläche 56 der Düsenplatte 29 den betreffenden Gasstrahl, der eine endliche Dicke hat, derart, daß er mit seiner gesamten Dicke den Rand 57 des Läufers 27 unter einem Winkel passiert, der so klein ist, daß sich der Gasstrahl nahezu längs einer Tangente am Läufer bewegt. According to FIG. 9, each boundary surface 56 of the nozzle plate 29 directs the relevant gas jet, which has a finite thickness, such that it passes the edge 57 of the rotor 27 with its entire thickness at an angle which is so small that the gas jet moves almost along a tangent on the rotor.

Man erhält ein aufschlußreiches Beispiel für die theoretischen Grundlagen des Problems, das durch die erfindungsgemäße Aktionsturbine gelöst wird, wenn man diese Turbine mit dem bekannten Pelton-Rad vergleicht. Einer typischen Pelton-Turbine könnte man Wassernit einem Gefälle von z.B. etwa 450 m mit Hilfe einer entsprechend hohen Talsperre zuführen. Die Düsen würden dann Wasser mit einer Geschwindigkeit von etwa 90 m/s gegenüber dem Boden an Schaufeln abgeben, die sich gegenüber dem Boden mit einer Geschwindigkeit von etwa 45 m/s bewegen. Unter diesen Umständen könnte man bei einem anzunehmenden Verlust von 7% mit einem Spitzenwert des Wirkungsgrades von 9396 rechnen» Ein Teil dieses Verlustes von 7% bezüglich des Wirkungsgrades ist auf die Beschleunigung der das Pelton-Rad umgebenden Luft durch die Gebläsewirkung der Aktionsschaufeln des Läufers zurückzuführen, die sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 160 km/h bewegen. Da die Dichte atmosphärischer Luft nur 0,196 der Dichte von Wasser entspricht, würde sich dann, wenn man ein Pelton-Rad in sein eigenes Arbeitsmedium eingetaucht betreiben würde, d_eh. unter Wasser, anstelle der viel weniger dichten Luft ein katastrophaler Leistungsverlust ergeben, da das umlaufende Pelton-Rad einen entsprechend höheren Widerstand zu überwinden hat. Dieser Widerstand würde in erster Linie auf die Beschleunigung desA revealing example of the theoretical basis of the problem is obtained, which is solved by the action turbine according to the invention when this turbine is compared with the known Pelton wheel. A typical Pelton turbine could be supplied with water with a gradient of, for example, about 450 m with the help of a correspondingly high dam. The nozzles would then deliver water at a speed of about 90 m / s with respect to the ground to blades which move with a speed of about 45 m / s with respect to the ground. Under these circumstances, with an assumed loss of 7% , a peak efficiency of 9396 could be expected. Part of this 7% loss in efficiency is due to the acceleration of the air surrounding the Pelton wheel by the fan action of the rotor's action blades moving at a speed of around 160 km / h. Since the density of atmospheric air only 0.196 corresponds to the density of water, would then, if one were to operate immersed a Pelton wheel in its own working medium, d _e h. under water, instead of the much less dense air, result in a catastrophic loss of power, as the revolving Pelton wheel has to overcome a correspondingly higher resistance. This resistance would primarily be due to the acceleration of the

809832/0576809832/0576

toto

das Pelton-Rad umgebenden Wassers durch die Aktionsschaufeln des Läufers zurückzuführen sein.the water surrounding the Pelton wheel through the action shovels of the runner.

Bei dem erfindungsgemäßen Läufer 27, der von Luft oder einem anderen Gas umgeben ist, ergibt sich eine Umfangsgeschwindigkeit des Läuferrandes in Richtung des Pfeils 47 in Fig. 7 gegenüber dem Boden, die annähernd der Hälfte der Geschwindigkeit der von den Düsen abgegebenen Gasstrahlen 54 entspricht. Bei einem maximalen Wirkungsgrad und bei einer erfindungsgemäß bevorzugten konvergent-divergenten Düsenform und der Zufuhr von Luft mit einer Temperatur von 27⁰C und unter einem Druck von etwa 7 bar, die aus der Turbine in die Atmosphäre entweicht, erreicht die Geschwindigkeit der Gasstrahlen 54 in den Düsen gegenüber dem Boden den Wert von etwa 500 m/s. Die Umlaufgeschwindigkeit des Läuferrandes in Richtung des Pfeils 47 gegenüber dem Boden dürfte bei maximalem Wirkungsgrad etwa 250 m/s erreichen. Daher bewegen sich die Schaufelkanten 62 gegenüber der sie umgebenden Luft mit einer Geschwindigkeit von etwa 250 m/s. Die entweichende Luft kann ziemlich kalt werden und z.B. eine Temperatur von -87°C oder darunter erreichen. Unter diesen Bedingungen hat die Machzahl der umgebenden Luft gegenüber dem Läuferrand örtlich nahezu den Wert 1 „ Ebenso wie bei einem von Wasser umgebenen Pelton-Rad könnte ein erheblicher Wirkungsgradverlust eintreten, wenn die Schaufeln die sie umgebende Luft in einem erheblichen Ausmaß beschleunigen müßten, doch bewirken die erfindungsgemäßen offenen Aktionsschaufeln eine Verringerung der durch das Umwälzen von atmosphärischer Luft und der Abluft durch den Läufer und die Schaufeln bedingten Pumpverluste.In the rotor 27 according to the invention, which is surrounded by air or another gas, the circumferential speed of the rotor edge in the direction of arrow 47 in FIG. With a maximum efficiency and with a convergent-divergent nozzle shape preferred according to the invention and the supply of air at a temperature of 27 ^° C. and under a pressure of about 7 bar, which escapes from the turbine into the atmosphere, the speed of the gas jets reaches 54 in the nozzles compared to the ground the value of about 500 m / s. The speed of rotation of the rotor edge in the direction of arrow 47 relative to the floor should reach about 250 m / s with maximum efficiency. The blade edges 62 therefore move with respect to the air surrounding them at a speed of approximately 250 m / s. The escaping air can get quite cold and reach a temperature of -87 ° C or below, for example. Under these conditions, the Mach number of the surrounding air compared to the rotor edge has a local value of almost 1 “Just as with a Pelton wheel surrounded by water, a considerable loss of efficiency could occur if the blades had to accelerate the surrounding air to a considerable extent, but cause it the open action blades according to the invention reduce the pumping losses caused by the circulation of atmospheric air and the exhaust air through the rotor and the blades.

Ferner hat es sich gezeigt, daß man die dynamischen Verluste, die sich bei Teil- oder Vollastbetrieb der Turbine ergeben, weiter verringern kann, indem man Schaufelkanäle vorsieht, deren Querschnittsfläche nur so groß ist, wie es erforderlich ist, die Gasstrahlen 54 aus den Düsen 30 gegenüber den Schaufelkanälen zusammenzuhalten« Dieser Gedanke wird durch die Further, it has been shown that one can further reduce the dynamic losses that result in partial or full load operation of the turbine, by providing the blade channels whose cross-sectional area is only as large as is required, the gas jets 54 from the nozzles 30 to hold together opposite the blade channels «This thought is supported by the

809832/0678809832/0678

- 20 21 - 20 21

in Fig. 10 bis 18 dargestellten Ausführungsformen mit rohrförmigen Schaufeln veranschaulicht, die nachstehend beschrieben sind« Diese Verringerung der dynamischen Verluste durch die Verwendung rohrförmiger Schaufeln dürfte darauf zurückzuführen sein, daß gemäß Fig. 7 das Vorhandensein der offenen Räume 68 innerhalb der Schaufeln vermieden wird, denn diese Räume werden nicht benötigt, um die Energie der Gasstrahlen in Wellenleistung zu verwandeln, da diese Energieumwandlung ja dadurch bewirkt wird, daß sich die Gasstrahlen 54 über die gekrümmten Aktionsflächen 46 hinweg bewegen. Dieses aerodynamisch nicht erforderliche Volumen der Schaufeln kann 50% oder mehr des gesamten Inhalts einer Schaufel 45 ausmachen. Beim Betrieb mit hoher Drehzahl neigen diese ungenutzten offenen Räume 68 dazu, in Wechselwirkung mit der den Läufer und damit auch die Schaufeln umgebenden gasförmigen Atmosphäre zu treten und dynamische Verluste hervorzurufen, da diese freien Räume eine Gebläsrewirkung auf die umgebende Atmosphäre ausüben. Durch die Verwendung rohrförmiger Schaufeln werden die genannten ungenutzten Räume beseitigt, und bei Vollastbetrieb strömt das den Rand 57 4es Läufers umgebende Gas nicht mehr längs dieses Randes nach innen, um mit den Flächen der offenen Schaufeln zusammenzuarbeiten.in Fig. 10 to 18 shown embodiments with tubular Shovels illustrated, which are described below, «This reduction in dynamic losses through the use of tubular blades should be due to the fact that, as shown in FIG. 7, the presence of the open Spaces 68 within the blades are avoided, because these spaces are not required for the energy of the gas jets to convert into wave power, since this energy conversion is caused by the fact that the gas jets 54 over the move curved action surfaces 46 away. This aerodynamically unnecessary volume of the blades can be 50% or make up more of the entire contents of a scoop 45. At the Operating at high speed, these unused open spaces 68 tend to interact with and thus interact with the rotor The gaseous atmosphere surrounding the blades can also enter and cause dynamic losses as these free spaces exert a fan effect on the surrounding atmosphere. By using tubular blades, the named unused spaces are eliminated, and in full load operation the gas surrounding the edge 57 4es rotor no longer flows inwardly along this edge to cooperate with the surfaces of the open vanes.

Eine erste Ausführungsform eines Läufers mit rohrförmigen Schaufeln ist in Fig. 10 bis 12 dargestellt. Bei dem Läufer 69 sind an seinem Rand 66 mehrere Schaufeln 73 angeordnet, die den Schaufeln 45 der ersten Ausführungsform entsprechen, abgesehen davon, daß die Schaufeln 73 rohrförmig sind und jeweils einen Einlaß 74 zum Aufnehmen eines Gasstrahls 54, einen gekrümmten rohrförmigen Aktionsabschnitt 75 und einen rohrförmigen Auslaß 76 aufweisen. Der rohrförmige Einlaß 74 und der rohrförmige Auslaß 76 verlaufen gemäß Fig. 11 im wesentlichen parallel zueinander, und sie liegen annähernd auf der gleichen Sehne, die einer Tangente des Läuferrandes möglichst nahe benachbart ist; ferner erstrecken sie sich jeweilsA first embodiment of a rotor with tubular blades is shown in FIGS. In the rotor 69 several blades 73 are arranged on its edge 66, which correspond to the blades 45 of the first embodiment, except that the blades 73 are tubular and each have an inlet 74 for receiving a gas jet 54, a curved tubular action portion 75 and a have tubular outlet 76. The tubular inlet 74 and the tubular outlet 76 run essentially parallel to one another as shown in FIG. 11, and they lie approximately on the same chord which is as close as possible to a tangent of the rotor edge; furthermore, they each extend

809832/0576809832/0576

im rechten Winkel zur Drehachse 77 des Läufers. Bei dieser Ausführungsform nimmt die Breite des rohrförmigen Aktionsabschnitts 7? ab, d.h. dieser Abschnitt konvergiert etwa zur Mitte 78 der betreffenden Schaufel, um sich dann wieder zu erweitern bzw. zum Auslaß zu divergieren.at right angles to the axis of rotation 77 of the rotor. In this embodiment the width of the tubular action section increases 7? from, i.e. this section converges approximately to the middle 78 of the blade in question, and then closes again expand or diverge towards the outlet.

Bei der in Fig. 13 und 14 dargestellten Ausführungsform ist der Läufer 79 ebenfalls mit einem Satz rohrfönniger Schaufeln 82 versehen, die den Schaufeln 73 nach Fig. 11 ähneln, doch ist jede dieser Schaufeln als Wdivergierende Schaufel ausgebildet, d.h. ihre Breite nimmt vom Einlaß 83 aus in Richtung auf den Auslaß 84 allmählich und gleichmäßig zu.In the embodiment shown in FIGS. 13 and 14 is the rotor 79 is also provided with a set of tubular blades 82 which are similar to the blades 73 of FIG. 11, however each of these blades is designed as a wdiverging blade, i.e., its width gradually and evenly increases from inlet 83 towards outlet 84.

In Fig. 15 bis 18 ist im einzelnen eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der eine Düsenplatte 80 einem Läufer 85 zugeordnet ist, dessen Rand 86 mit einem Satz rohrfönniger Schaufeln 87 versehen ist. Jede der Schaufeln 87 ähnelt bezüglich ihrer Rohrform den Schaufeln 73 nach Fig. 10 bis 12 und im übrigen den offenen Schaufeln 45 der zuerst beschriebenen Ausführungsform. Gemäß Fig. 15 weist jede Düse 90 einen konvergierenden Eingang 88, einen engsten Querschnitt 89 und einen divergierenden Ausgang 92 auf, wobei sämtliche Ausgänge einen gemeinsamen kreisrunden inneren Rand 93 bilden, der dem äußeren Rand 94 des Läufers 85 nahe benachbart ist.A further embodiment is shown in detail in FIGS. 15 to 18, in which a nozzle plate 80 is connected to a runner 85 is assigned, the edge 86 of which is provided with a set of tubular blades 87. Each of the blades 87 are similar in respect their tubular shape the blades 73 according to FIGS. 10 to 12 and otherwise the open blades 45 of the first described Embodiment. 15, each nozzle 90 has a converging one Entrance 88, a narrowest cross section 89 and a diverging exit 92, with all exits form a common circular inner edge 93 which is closely adjacent to the outer edge 94 of the rotor 85.

Ebenso wie bei den schon beschriebenen Ausführungsbeispielen haben die Düsen 90 einen rechteckigen Querschnitt. Aus Fig.15 ist ersichtlich, daß die äußere Begrenzung 95 jedes Düsenausgangs 92 mehrere Schaufeleingänge 96 überspannt. Daher sind bei dieser Ausführungsform 45 Schaufeln und 30 Düsen vorhanden. Hierbei haben die Schaufeln 87 vom Eingang 96 über den ganzen Winkelbereich von 180° und längs des Ausgangs dne gleichmäßige Breite.As in the exemplary embodiments already described, the nozzles 90 have a rectangular cross section. From Fig. 15 it can be seen that the outer boundary 95 of each nozzle outlet 92 spans multiple vane inlets 96. Hence are in this embodiment there are 45 blades and 30 nozzles. Here, the blades 87 have dne from the inlet 96 over the entire angular range of 180 ° and along the outlet uniform width.

809832/0576809832/0576

Die in Fig. 10 bis 18 dargestellte rohrförmige Ausbildung der Schaufeln wird bevorzugt, da sich hierbei die Umwandlung der kinetischen Energie der Gasstrahlen in ein an die Welle 16 abgegebenes Drehmoment aus zwei Hauptgründen verbessert„ Erstens verringert sich bei dieser Konstruktion noch weiter die Energie, die benötigt wird, um den Läufer mit einer Drehzahl zu betreiben, welche für eine optimale Umwandlung der kinetischen Energie der Gasstrahlen 54 in VTellenleistung erforderlich ist, zweitens verringert sich der Leistungsverlust am Läuferrand, und drittens führt die Verwendung einer rohrförmigen Führung für jeden Gasstrahl während der Richtungsänderungen in den Schaufelkanälen zu einer Verringerung der GeschwindigkeitsVerluste auf ein Minimum, so daß sich die Kraft vergrößert, die durch jeden Gasstrahl auf die zugehörige Schaufel ausgeübt wird, und daß sich diese Kraft weiter dem erzielbaren Maximum nähert.The tubular design shown in Fig. 10 to 18 Shoveling is preferred, since this involves the conversion of the kinetic energy of the gas jets into energy at the shaft 16 output torque improved for two main reasons " First, this design reduces the energy required to keep the rotor running at a speed to operate, which is necessary for an optimal conversion of the kinetic energy of the gas jets 54 into V-cell power Second, the loss of performance is reduced at the rotor edge, and thirdly, the use of a tubular guide for each gas jet during the changes in direction in the vane channels leads to a reduction in the Loss of speed to a minimum, so that the Increased force that is exerted by each gas jet on the associated blade, and that this force continues approaches the achievable maximum.

Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal der rohrförmigen Schaufelkonstruktion, die zu einer Verbesserung des Betriebsverhaltens der Turbine führt, ist darin zu erblicken, daß die rohrförmigen Schaufeln im Vergleich zu den offenen Schaufeln der .Ausführungsform nach Fig. 1 bis 9 eine erheblich höhere Festigkeit haben, was auf die erhebliche Verkürzung der nicht abge stützten Spannweite jeder Schaufelfläche am Eingang kurz inner halb der scharfen Schaufeltrennkante 98 zurückzuführen ist, die der scharfen Trennkante 62 bei der ersten Ausführungsform ähnelt« Bei den offenen Schaufeln der ersten Ausführungsform ist diese Spannweite gleich dem Durchmesser der im wesentlichen radial verlaufenden Aktionsfläche 46. Bei den rohrförmigen Schaufeln wird diese Spannweite dagegen zwischen den Eingängen und Ausgängen der Schaufeln über eine erhebliche Strecke abgestützt· Wenn man als Treibgas z.B. Dampf, unter hohem Druck stehendes Erdgas oder Luft von hoher Temperatur und unter hohem Druck verwendet, kann man somit den Läufer mit rohrförmigen Schaufeln mit einer erheblich höheren Umfangsgeschwindigkeit Another very important feature of the tubular blade construction, which leads to an improvement in the operating performance of the turbine, is to be seen in the fact that the tubular blades compared to the open blades of the embodiment according to FIGS. 1 to 9 have a considerably higher strength , which is due to the considerable shortening of the unsupported span of each blade surface at the entrance just inside the sharp blade separating edge 98, which is similar to the sharp separating edge 62 in the first embodiment radial action surface 46. In the case of tubular blades, however, this span is supported over a considerable distance between the inlets and outlets of the blades one thus the rotor with tubular blades with a significantly higher peripheral speed

809832/0578809832/0578

betreiben, wie es erforderlich ist, um die kinetische Energie der von den Düsen mit hoher Geschwindigkeit abgegebenen Gasstrahlen in Wellenleistung umzuwandeln.operate as necessary to get the kinetic energy convert the high-speed gas jets emitted by the nozzles into wave power.

Damit jeder von einer Düse abgegebene Gasstrahl vollständig in die betreffende Schaufel gerichtet wird, um die zugehörige Aktionsfläche zu überstreichen, darf bei jeder beschriebenen Ausführungsform der Auslaß jeder Düse im wesentlichen keine größere Breite haben als der Eingang jeder Schaufel.So that every gas jet emitted by a nozzle is completely directed into the relevant blade in order to avoid the associated To sweep over the action area, the outlet of each nozzle must be essentially none in each embodiment described wider than the entrance of each bucket.

Auch die Verwendung nur eines einzigen Schaufelkranzes, der eine einzige Turbinenstufe bildet, so daß bei allen Ausführungsformen keine Wiederbeaufschlagung eintritt, und daß das Gas relativ ungehindert aus den Schaufeln entweichen kann, liefert einen wichtigen Beitrag zu dem erzielbaren sehr hohen WirkungsgradοThe use of only a single blade ring, which forms a single turbine stage, so that in all embodiments no re-admission occurs and that the gas can escape relatively unhindered from the blades, makes an important contribution to the very high degree of efficiency that can be achieved ο

Das Strömungsleitorgan 55 der ersten Ausführungsform nach Fig. 9 bzw. das Strömungsleitorgan 100 nach Fig, 15» wie es auch bei allen anderen Ausführungsformeη vorhanden ist, bewirkt, daß jeder Gasstrahl 54 auf drei Seiten abgegrenzt wird, so daß nur die Seitenflächen des Läufers freiliegen, damit jeder Gasstrahl auf den Rand des Läufers geleitet wird, um zu verhindern, daß Teile des Gases dadurch wieder aus den Schaufeln herausgeleitet werden, daß sie in Berührung mit der benachbarten umlaufenden Fläche der Schaufeln kommen. Dieses Einschließen der Gasstrahlen ist bei den rohrförmigen Schau feln von besonderer Bedeutung, denn es gewährleistet, daß im wesentlichen die gesamten Gasstrahlen unter dem richtigen Winkel in die Schaufeln eintreten, und daß die gesamte Gasmenge über die gekrümmte Aktionsfläche jeder Schaufel strömt, wie es bei der ersten Ausführungsform bei 46 dargestellt ist, damit der gesamte Gasstrom ausgenutzt wird. Bei jedem Strömungsleitorgan 55 gehören zu diesen drei Begrenzungsflächen jeweils die äußere Wandfläche 56 und die einander gegenüber- The Strömungsleitorgan 55 of the first embodiment of FIG. 9 or the Strömungsleitorgan 100 of Fig, 15 "as it is also present in all other Ausführungsformeη, causing each gas jet is delimited on three sides 54, so as to expose only the side surfaces of the rotor so that each gas jet is directed onto the edge of the rotor, to prevent parts of the gas are thus sent back out again the blades to come into contact with the adjacent circumferential surface of the blades. This inclusion of the gas jets is of particular importance in the tubular look blades , because it ensures that substantially all of the gas jets enter the blades at the correct angle, and that the entire amount of gas flows over the curved action surface of each blade, as in the first embodiment is shown at 46, so that the entire gas flow is used. In the case of each flow guide element 55, these three boundary surfaces each include the outer wall surface 56 and the opposite wall surfaces.

809832/0576809832/0576

liegenden parallelen Seitenflächen 99 nach Fig. 6. Diese Seitenflächen verhindern ebenfalls EnergieVerluste der Gasstrahlen. lying parallel side surfaces 99 according to FIG. 6. These side surfaces also prevent energy losses from the gas jets.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, die genau derjenigen nach Fig. 1 bis 4 entspricht, abgesehen davon, daß das Schneckengehäuse 13 auf der Austrittsseite fortgelassen int, so daß der austretende Gasstrom in Richtung des Pfeils 103 entweichen kann, um direkt zu dem freien Raum 104 zu gelangen, ohne einen Austrittsschneckenkanal zu durchströmen.Fig. 5 shows an embodiment exactly like that after Fig. 1 to 4 corresponds, except that the worm housing 13 omitted int on the exit side, so that the exiting gas stream escape in the direction of arrow 103 can to get directly to the free space 104 without flowing through an exhaust screw channel.

Fig. 15 zeigt eine Düsenplatte 80 mit typischen konvergentdivergenten Düsen 90. Bei dieser Düsenplatte verläuft der konvergierende Eingang 88 unter einem Winkel von 32°, der engste Querschnitt 89 hat eine Länge von etwa 0,8 mm, und der divergierende Ausgang 92 ist unter einem Winkel von 15° geneigt. Zwar wird die Verwendung von konvergent-divergenten Düsen bevorzugt, da sich hierbei eine hohe Geschwindigkeit der Gasstrahlen ergibt, die sogar die Schallgeschwindigkeit erreichen kann, doch läßt sich die Turbine auch mit Düsen von anderer Form derart versehen, daß ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Beispielsweise zeigt Fig. 19 eine Ausführungsform von Düsen 105 mit parallelen oberen und unteren Begrenzungsflächen, während Fig. 20 Düsen 106 zeigt, die in Richtung auf den Läufer konvergieren, und Fig. 21 Düsen 107» die in Richtung auf den Läufer divergent sind.15 shows a nozzle plate 80 with typical convergent-divergent nozzles 90 converging entrance 88 at an angle of 32 °, the narrowest cross-section 89 has a length of about 0.8 mm, and the diverging exit 92 is inclined at an angle of 15 °. It is true that the use of convergent-divergent Nozzles are preferred, as this results in a high speed of the gas jets, which is even the speed of sound can achieve, but the turbine can also be provided with nozzles of a different shape in such a way that a very high efficiency is achieved. For example, FIG. 19 shows an embodiment of nozzles 105 with parallel upper and lower boundary surfaces, while Fig. 20 shows nozzles 106 converging towards the rotor, and Fig. 21 nozzles 107 the are divergent towards the runner.

Wie erwähnt, besteht ein Grund für die Erzielung des hohen Wirkungsgrades bezogen auf die je Leistungeinheit verbrauchte Druckgasmenge bei der erfindungsgemäßen Turbine darin, daß das Druckgas im Gegensatz zu mit wiederholter Beaufschlagung arbeitenden Turbinen nur einen kurzen Strömungsweg zurückzulegen hat, um die in dem Gas enthaltene Energie in nutzbare Wellenleistung zu verwandeln. Gemäß der Erfindung legt das Druckgas längs der Schaufeln den kürzest möglichen Weg zurück, und das verbrauchte Gas wird unmittelbar an einen RaumAs mentioned, there is a reason for achieving the high efficiency based on the consumed per unit of power Amount of pressurized gas in the turbine according to the invention is that In contrast to turbines that work with repeated admission, the pressurized gas only has to cover a short flow path has to convert the energy contained in the gas into usable wave power. According to the invention, the Pressurized gas along the blades back the shortest possible way, and the used gas is immediately sent to a room

809832/057«809832/057 «

, in dem ein relativ niedriger Gasdruck herrscht, so daß das Abgas keinen übermäßig hohen Gegendruck zu überwinden brnuoht.., in which there is a relatively low gas pressure, see above that the exhaust gas does not have to overcome an excessively high back pressure ..

Zwar wurden im Rahmen der vorstehenden Beschreibung verschiedene theoretische Annahmen behandelt, doch sei bemerkt, daß
sich die Erfindung nicht hierauf beschränkt«While various theoretical assumptions have been discussed in the preceding description, it should be noted that
the invention is not limited to this "

?β· Patentanwalt? β · Patent attorney

809832/0578809832/0578

L e e r s e itL e r s e it

Claims

EXPECTATIONS

1, 'Pressure gas turbine # ■ * marked by a housing (11) with a gas outlet (38) in which, compared to the absolute pressure of the gas streams (54), there is a lower back pressure prevails, a rotor (27) rotatably mounted in the housing about an axis (33) and having a circular edge (57), a set of closely spaced action paddles (45) on the edge of the rotor, each paddle on a chord of the rotor edge, which is adjacent to a tangent of the rotor edge parallel to the chord, wherein each blade has a curved action surface (46) which is essentially constant transversely to the direction of rotation (47) of the rotor Has a radius and extends from an entry side (48) of the blade at the rotor edge to one on the opposite side arranged outlet side (52) of the blade also extends at the rotor edge, and wherein the outlet side of each blade is in direct communication with the relatively low back pressure outlet, a nozzle assembly with a set of gas nozzles (30) extending over an arc of a circle, which are located in the housing in the immediate vicinity of the Runner edge are arranged and each have a generally axially extending gas channel, which during the rotation of the The rotor is essentially in alignment with the inlet sides of the blades in order to move at high speed moving gas flow through each nozzle to guide the blades and directly to the gas outlet so that the gas streams the blades each flow through only once, with the DUsenkanal arranged at the vane inlets and essentially in a straight line they are aligned, the nozzle arrangement including means for directing the gas streams by means of which each gas jet is guided from a nozzle essentially completely into the vane entrances to over the action surfaces of the vanes to flow away and to divide over the blade outlets.

8098 3 2/05788098 3 2/0578

ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED

chen, so that each gas flow at the edge of the runner enters the runner and leaves it again, and the devices for directing the gas jets include flow guide elements (55) which determine the position of the outer boundaries (56) of the gas streams at the edge of the runner , as well as a device for supplying pressurized gas to all nozzles _o

2. Turbine according to claim 1, characterized in that the gas channels (106) of the nozzles from one entrance to one Converge exit leading to the blade entrances (48) »

3 "turbine according to claim 1, characterized in that the gas channels (107) of the nozzles diverge from an inlet to an outlet which leads to the inlets (48) of the blades leads"

4. Turbine according to claim 1, characterized in that the gas channels (105) of the nozzles have a uniform cross-section between an inlet and an outlet leading to the Entrances (48) of the blades leads.

5. Turbine according to claim 1, characterized in that the gas channels (30) of the nozzles between an inlet and an outlet leading to the inlets (48) of the blades converge and then diverge.

6. Turbine according to claim 1, characterized in that the gas outlet openings (52) of the blades (45) have a large one Have a cross-section so that the gas flows escaping through the openings are hindered as little as possible »

7. Turbine according to claim 1, characterized in that the curved action surface (46) of each blade (45) between its entry side (48) and its exit side (52) extends over an angular range of approximately 180 ° »

809832/057S809832 / 057S

8. Turbine according to claim 1, characterized in that each blade (45) is separated from the adjacent blades by walls (59) which has a thin edge (62) on the edge (57) of the rotor _o

9. Turbine according to claim 8, characterized in that the inner surface (65) of each blade (45) that of the axis of rotation (33) of the rotor is closer adjacent, is convex recessed, so that each of a nozzle (30) to the inner Surface released gas flow (54) on entering the blade forms an airfoil to that of the rotor (27) to contribute generated torque,

10 «, turbine according to claim 1, characterized in that each nozzle (30) has a central axis extending along a chord of the runner rim (57) which is one to it Chord parallel tangent of the runner edge (57) is closer than the plane in which the action surface (46) each Shovel (45) lies.

11. Turbine according to claim 1, characterized in that the means for directing the gas flows (54) are outer Walls (56) which extend from the exits of the nozzles (30) towards the edge (57) of the runner (27).

12. Turbine according to claim 1, characterized in that the circular edge (57) of the rotor (27) outside each Shovel (45) and is provided in its vicinity with a flat, substantially square recess that this recess is arranged in alignment with the inlet side (48) and the outlet side (52) of the blade, and that the recess extends between the extreme ends of the inlet side and the outlet side of the blade in question "

13. Pressure gas turbine, characterized by

809832/0576809832/0576

a housing (11) has a gas outlet in which there is a lower back pressure compared to the absolute pressure of the gas streams (54), a rotor (69; 79; 85) with an outer edge rotatably mounted in the housing about an axis (77) (94), a single set of closely adjacent action blades (73; 82; 87) with which the rotor is provided at its edge, each blade lying on a chord of the rotor edge which is adjacent to a tangent of the rotor edge parallel to this chord each vane having a curved tubular action surface (75; 82; 87) which transversely to the direction of rotation of the rotor has a substantially constant radius and extends from an inlet side (74; 96) of the tubular blade at the edge of the rotor to one the opposite side arranged outlet side (76; 84; 97) of the tubular blade, which is also arranged at the edge of the rotor, and wherein the outlet side of each blade in the immediate Is in communication with the gas outlet, in which there is a relatively low back pressure, further by a nozzle arrangement (90) with a set of gas nozzles extending over an arc of a circle, which are arranged in the housing in the immediate vicinity of the rotor edge, each nozzle having an axial gas channel which is substantially in alignment with the inlet sides of the blades during rotation of the rotor, so that each nozzle creates a high velocity gas stream which flows from each nozzle through the blades and escapes directly into the gas outlet, each Gas flow flows through the blades only once , the nozzle channels being arranged at the blade inlets and being essentially aligned with them, the nozzle arrangement including devices for directing the gas flows, by means of which the gas flows are introduced essentially completely directly into the blade inlets in order to be able to use the Action fleeing to flow away un d to escape via the blade outlets, each gas stream entering the rotor at the rotor edge and him

809832/0576809832/0576

leaves again, and the devices for directing the gas flows include guide elements (100) through which the outer Limitation of each gas jet is determined at the rotor edge, as well as by a device for supplying pressurized gas to all Nozzles »

14. Turbine according to claim 13 »characterized in that the gas channels (106) converge from an inlet to an outlet, that leads to the shovel entrances «,

15. Turbine according to claim 13 »characterized in that the gas channels (107) diverge from an inlet to an outlet, which leads to the bucket entrances.

16. Turbine according to claim 13 »characterized in that the gas channels (105) between an inlet and an outlet leading to the blade inlets each have a uniform one Have cross-section »

17. Turbine according to claim 13 »characterized in that the gas channels (30) between an inlet and one to the Converge exit leading to the vane entrances and then diverge.

18. Turbine according to claim 13, characterized in that the outlet openings for the gas flows have a large cross-section so that the gas flows escaping through the openings are hindered as little as possible.

19. Turbine according to claim 13 »characterized in that the curved action surface of each blade between their Entry side and its exit side over an angular range extends from about 180 °.

20. Turbine according to claim 13 »characterized in that

809832/0576809832/0576

each blade is separated from the blades adjacent to it by a wall with a thin edge at the edge of the rotor (98).

21 «turbine according to claim 20, characterized in that the inner surface of each blade (73; 82; 87), which is closer to the axis of rotation (33) of the rotor, is convexly curved so that the gas flow (5A) supplied to this surface through a nozzle forms an airfoil profile when it enters the blade forms to contribute to the torque generated by the rotor (69; 79; 85).

22. Turbine according to claim 13 »characterized in that each nozzle has a central axis which lies on a chord which is a tangent of the rotor edge parallel to this chord is closer than the plane in which the action surface of each shovel lies.

23. Turbine according to claim 13, characterized in that the means for directing the gas flows are outer walls belong, each extending from the exit of each nozzle in the direction of the runner edge.

24. Turbine according to claim 13, characterized in that the circular rotor edge outside each blade and in its vicinity with a flat, essentially square one Recess is provided that each blade and the associated shallow recess in alignment with the blade inlet and the blade outlet are arranged, and that the recess between the extreme ends of the inlet side and the Extends the exit side of the blade in question.

809832/0576809832/0576