DE3149040A1 - DISPLACEMENT TURBINE - Google Patents
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Description
Die Praxis verlangt schon seit vielen Jahren nach einer leistungsstarken Antriebsmaschine, insbesondere einer Dampfmaschine, die sich wirksam und wirtschaftlich mittels verschiedener Medien antreiben läßt. Bei diesbezüglichen Vorschlägen wurde jedoch im Hinblick auf eine mit verhältnismäßig niedrigem Druck arbeitende Maschine dem Ausgleich des Innendrucks nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt.For many years, practice has required a powerful drive machine, especially one Steam engine that can be driven efficiently and economically by means of various media. With related However, proposals have been made with regard to a machine operating at relatively low pressure Not paying enough attention to equalizing internal pressure.
Des weiteren erfordern große Dampfmaschinen seit eh und je einen Schmiermittel- bzw. Ölzusatz zum Dampf, um die zahlreichen gleitenden Teile wie Kolben und GIeitdichtungen hinreichend zu schmieren. Andernfalls käme es zu einer hohen Reibung und demgemäß unerwünscht starkem Verschleiß.Furthermore, large steam engines have always required a lubricant or oil additive to the steam in order to numerous sliding parts such as pistons and sliding seals to lubricate sufficiently. Otherwise there would be high friction and, accordingly, undesirably heavy wear.
Die herkömmlichen Dampfturbinen weisen eine Reihe von Nachteilen auf; so lassen sich übliche Turbinen nur im Vollastbetrieb wirtschaftlich einsetzen. Im Teillastbetrieb geht der Wirkungsgrad hingegen rasch gegen Null. Des weiteren sind im Hinblick auf eine optimale Leistung konstante hohe Drehzahlen erforderlich, und führt demzufolge eine Drehzahlverringerung zu einem rapiden Wirkungsgradverlust.The conventional steam turbines have a number of disadvantages; so conventional turbines can only be used in Use full load operation economically. In partial load operation, however, the efficiency quickly tends to zero. Further constant high speeds are required for optimum performance, and consequently leads to a speed reduction to a rapid loss of efficiency.
Hinzu kommt, daß es sich bei Turbinen wegen der Ausnutzung der kinetischen Energie sich schnell bewegender Gasmoleküle um Hochtemperatur-Wärmekraftmaschinen handelt, die im Hinblick auf einen ausreichenden Wirkungsgrad Betriebstemperaturen über 3000C erfordern. Schließlich wird bei hlerkömmlichen Dampfturbinen auch noch die Drehzahl durch das selbst mit einem Reibungsverschlejß verbundene und daher zum Festfressen neigende Hauptventil bestimmt.In addition, due to the utilization of the kinetic energy of rapidly moving gas molecules, turbines are high-temperature heat engines which require operating temperatures above 300 ° C. in order to achieve sufficient efficiency. Finally, in conventional steam turbines, the speed is also determined by the main valve, which itself is subject to frictional wear and therefore has a tendency to seize.
O 1 / -J ; O 1 / -J;
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bei niedriger Temperatur arbeitende Verdrängerturbine mit Innendruckkompensation sowie wenig Gleitreibung und geringem Verschleiß zu schaffen, die sich äußerst wirtschaftlich und wirksam unter Ausnutzung sowohl der Expansionskräfte eines schmiermittelfreien Druckmediums als auch der kinetischen Energie eines mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gases mit hohem Wirkungsgrad sowohl im Vollast- als auch im Teillastbereich betreiben läßt.The invention is therefore based on the object of a low-temperature displacement turbine with internal pressure compensation as well as little sliding friction and low To create wear, which is extremely economical and effective by taking advantage of both the forces of expansion a lubricant-free pressure medium as well as the kinetic energy of one flowing at high speed Gas can operate with high efficiency both in the full load and in the partial load range.
Die Lösung besteht in einer ventillosen Zweikammer-Turbine, die im wesentlichen als Expansionsdampfmaschine funktioniert und die Turbinenwirkung zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ausnutzt. Demgemäß handelt es sich bei dem Gegenstand der Erfindung um eine Verdrängerturbine, bei der die kinetische Energie eines wie bei einer herkömmlichen Turbine auf Schaufeln treffenden schnell strömenden Gases ausgenutzt wird.The solution consists in a valveless two-chamber turbine, which essentially functions as an expansion steam engine and uses the turbine effect to improve the overall efficiency. Accordingly, it is the subject matter of the invention to a positive displacement turbine, in which the kinetic energy of a conventional turbine The rapidly flowing gas hitting blades is exploited.
Im einzelnen besteht die Lösung der vorerwähnten Aufgabe in einer Verdrängerturbine mit einem Gehäuse , dessen elliptischer Innenraum durch einen konzentrisch gelagerten Rotor inzwei Radialkammern unterteilt ist. Der Rotor weist mindestens zwei Gruppen jeweils exzentrisch und radial verschiebbar im Rotor gelagerter und mit dem Rotor -rotierender, eine reibungsfreie Dichtung gegenüber der die beiden radialen Kammern begrenzenden Innenraumwandung bewirkenden Rotorschaufeln auf und dreht sich in dem mit Ein- und Auslässen versehenen Gehäuse; er ist zudem mit mindestens einer Abtriebswelle verbunden.In detail, the solution to the aforementioned problem consists in a displacement turbine with a housing, the elliptical interior is divided into two radial chambers by a concentrically mounted rotor. The rotor has at least two groups each eccentrically and radially displaceably mounted in the rotor and with the rotor -rotating, causing a frictionless seal against the interior wall delimiting the two radial chambers Rotor blades open and rotate in the housing provided with inlets and outlets; he is also with connected to at least one output shaft.
Zwischen dem Rotor und dem Gehäuse befinden sich im Bereich der großen Ellipsenachse zwei einander diametral gegenüber-Between the rotor and the housing there are two diametrically opposed to each other in the area of the large axis of the ellipse.
liegende Radialkammern mit veränderlichem Volumen, durch die sich die beiden Schaufelgruppen hindurchbewegen. Um das zu ermöglichen,■sind die Schaufelgruppen auf einer im Gehäuse zentrisch angeordneten stationären Kurbelwelle gelagert. Ein Druckmedium gelangt auf der einen Seite in die Radialkammern und beaufschlagt die im Verlaufe ihrer Rotationsbewegung in die betreffende Radialkammer eintretenden Rotorschaufeln, bis es die Radialkammer an der dem Einlaß gegenüberliegenden Seite wieder verläßt.lying radial chambers with variable volume, through which the two groups of blades move through. To make this possible, ■ the blade groups are on an im Housing mounted centrally arranged stationary crankshaft. A print medium arrives on one side into the radial chambers and acted upon in the course their rotational movement in the relevant radial chamber entering rotor blades until it reaches the radial chamber the side opposite the inlet leaves again.
Die sich radial hin- und herbewegenden Rotorschaufein sind mittels berührungsloser Dichtungsrollen während ihrer Hin- und Herbewegung in Rotorschlitzen geführt und nach Art von Labyrinthdichtungen abgedichtet. In ähnlicher Weise ergeben sich berührungs- bzw. reibungslose Labyrinthdichtungen zwischen dem Rotor und der Innenfläche des Motorgehäuses im Bereich des geringsten Wandungsabständes sowie zwischen den Rotorschaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses im Bereich der Radialkammern. Um möglichst geringe Reibungsverluste zu gewährleisten und die Dichtwirkung zu erhöhen, können die relativ zueinander beweglichen Teile mit Kunststoff beschichtet seid.The radial reciprocating rotor blades are guided in rotor slots during their back and forth movement by means of non-contact sealing rollers and sealed in the manner of labyrinth seals. In a similar way, non-contact or frictionless results Labyrinth seals between the rotor and the inner surface of the motor housing in the area of the least Wall spacing and between the rotor blades and the inner surface of the housing in the area of the radial chambers. To minimize frictional losses To ensure and to increase the sealing effect, the parts that can move relative to one another can be made of plastic are coated.
Die erfindungsgemäße Turbine erfordert keinerlei Schmiermittel, weil sie mit Ausnahme der Rotorlager keine Teile mit gleitender Reibung aufweist und alle dynamischen Dichtungen aus reibungslosen Labyrinthdichtungen bestehen.The turbine according to the invention does not require any lubricant because, with the exception of the rotor bearings, it does not Has sliding friction parts and all dynamic seals are made up of frictionless labyrinth seals.
Zu Beginn der Rotordrehung ist das aus der kinetischen Energie des Dampfes resultierende Drehmoment wesentlich geringer als das aus der Dampfexpansion resultierende Drehmoment. Mit zunehmender UmdrehungsgeschwindigkeitAt the beginning of the rotor rotation, the torque resulting from the kinetic energy of the steam is essential less than the torque resulting from the steam expansion. With increasing speed of rotation
nimmt jedoch die kinetische Energie je Umdrehung zu und ergibt sich demzufolge eine entsprechende Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades. Hinzu kommt die sich mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit steigernde Dichtwirkung der Labyrin^thdichtungen.however, the kinetic energy increases per revolution and consequently there is a corresponding improvement the overall efficiency. In addition, the sealing effect increases with increasing circumferential speed the labyrin ^ th seals.
Die beiden Schaufelgruppen folgen der Innenkontur des Gehäuses und unterteilen dabei jede Radialkammer in zwei Teilräume. Demzufolge sind der Ein- und der Auslaß jeäer Radiallenmer während der Rotordrehung ständig gegeneinander abgedichtet, obgleüx der Motor keine Ventile besitzt.The two groups of blades follow the inner contour of the housing and divide each radial chamber into two Subspaces. As a result, the inlet and outlet of each radial space are constantly against each other during the rotation of the rotor sealed, obgleüx the engine has no valves.
Ein durch die einander diametral gegenüberliegenden Einlasse in die Radialkammemeintretendes Druckmedium, beispielsweise Dampf, übt auf zwei einander ebenfalls gegenüberliegenden Seiten Druck auf den Rotor aus und gewährleistet demgemäß einen völligen Druckausgleich. Dieser Druckausgleich ist insbesondere bei großen, mit hochgespanntem Druckmedium arbeitenden Maschinen unerläßlich.One through the diametrically opposed inlets pressure medium entering the radial chambers, for example Steam, exerts pressure on the rotor on two opposite sides and ensures accordingly a complete pressure equalization. This pressure equalization is particularly important in large, high-tension Machines that work with a pressure medium are indispensable.
Die erfindungsgemäße Verdrängertürbine eignet sich insbesondere für einen Niedrigtemperaturbetrieb, beispielsweise bei Temperaturen von 120 bis 1500C, insbesondere als geothermische Kraftmaschine. Wegen ihres höheren Gesamtwirkungsgrades kommt sie jedoch insbesondere auch für die Verwendung anstelle von Kraftwerksturbinen infrage. Unabhängig davon läßt sich die Turbine jedoch mit jedem anderen Druckmedium geringen Drucks und/oder geringer Temperatur betreiben. So eignen sich beispielsweise auch in Kavernen gespeicherte Druckluft, Erdgas und selbstkorrodierende Medien, sofern die Turbinenteile entsprechend korrosionsbeständig sind.The displacement turbine according to the invention is particularly suitable for low-temperature operation, for example at temperatures of 120 to 150 ° C., in particular as a geothermal engine. Because of its higher overall efficiency, however, it is particularly suitable for use instead of power plant turbines. Independently of this, however, the turbine can be operated with any other pressure medium of low pressure and / or low temperature. For example, compressed air, natural gas and self-corroding media stored in caverns are also suitable, provided that the turbine parts are correspondingly corrosion-resistant.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 einen Querschnitt und Fig. 1 is a cross section and
Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine jeweils in schematischer Darstellung. 2 shows an axial longitudinal section through a turbine according to the invention, in each case in a schematic representation.
Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Verdrängerturbine besteht aus einer oberen und einer unteren,' über Flansche 3, 4 druckdicht miteinander verschraubten Hälfte 1, 2 mit im " Querschnitt elliptischem Innenraum. Jede Gehäusehälfte 1, weist einen eigenen Einlaß 5, 6 sowie einen eigenen Auslaß 7, 8 auf. Dabei liegen Einlaß und Auslaß jeweils einander diametral gegenüber und paarweise auf jeweils einer Gehäuseseite, um jeweils eine Seite bzw. einen Teil des Motors zu bedienen.The housing of the displacement turbine according to the invention is made from an upper and a lower half 1, 2 with im "Cross-section of an elliptical interior. Each housing half 1 has its own inlet 5, 6 and its own outlet 7, 8 on. The inlet and outlet are in each case one another diametrically opposite and in pairs on each side of the housing, around one side or part of the Engine to operate.
Ein im Gehäuse 1, 2 drehbar gelagerter Rotor unterteilt den elliptischen Innenraum in zwei einander diametral gegenüberliegende Radialkammern 10, 11.A rotor rotatably mounted in the housing 1, 2 is divided the elliptical interior in two diametrically opposite radial chambers 10, 11.
Der Rotor 9 weist einen Deckel 12 mit einem in einem Lager 18 gelagerten Rohrstutzen 14 sowie einen weiteren Deckel mit einer in zwei getrennten Lagern 16, 17 gelagerten Abtriebswelle 15 auf. Der Rohrstutzen 14 und die Abtriebswelle 15 sind darüber hinaus in die Lager 16 bis 18 aufnehmenden Lagerstücken 21, 22 abgestützt.The rotor 9 has a cover 12 with one in a bearing 18 mounted pipe socket 14 and a further cover with a mounted in two separate bearings 16, 17 Output shaft 15 on. The pipe socket 14 and the output shaft 15 are also in the bearings 16 to 18 receiving Bearing pieces 21, 22 supported.
Zwischen den Deckeln 12, 13 sind mehrere Mantelplatten 23 bis 28 so im Abstand voneinander eingespannt, daß sich zwischen jeweils zwei Platten ein Radialschlitz ergibt. Die achsparallelen Längskanten der Rotorplatten 23 bis 28Between the covers 12, 13 a plurality of shell plates 23 to 28 are clamped at a distance from one another that a radial slot results between every two plates. The axially parallel longitudinal edges of the rotor plates 23 to 28
begrenzen die zwischen jeweils zwei Platten befindlichen Schlitze mittels kreisbogenförmiger, nach innen weisender, einander beiderseits eines Schlitzes gegenüberliegender Dichtungslippen 29.delimit the slots located between two plates by means of circular arc-shaped, inward-facing, Sealing lips 29 lying opposite one another on both sides of a slot.
Zwischen den Deckeln 12, 13 erstrecken sich jeweils im Bereich eines Rotorschlitzes zwischen druckdichten und rostfreien Lagern 31 sechs Tragscheiben 30.Between the covers 12, 13 each extend in the area of a rotor slot between pressure-tight and stainless Bearings 31 six support disks 30.
Von jeder Tragscheibe 30 ragen vier starre Bolzen 52 in das Rotorinnere und tragen in druckdichten und korrosionsbeständigen Wälzlagern gelagerte Rollen 32. Des weiteren erstrecken sich zwischen je zwei einander gegenüberliegenden Tragscheiben 30 zwei miteinander verschraubte, mit den Rollen 32 eine gemeinsame Dichtung bildende Dichtleisten 33, 34.From each support disk 30, four rigid bolts 52 protrude into the interior of the rotor and are pressure-tight and corrosion-resistant Rollers 32 supported by roller bearings. Furthermore, they each extend between two mutually opposite Support disks 30 are two sealing strips that are screwed together and form a joint seal with the rollers 32 33, 34.
Die Außenflächen der Dichtleisten 33, 34 folgen genau, jedoch ohne Berührung der Krümmung der Dichtungslippen 29.The outer surfaces of the sealing strips 33, 34 follow exactly, but without touching the curvature of the sealing lips 29.
Die Innenflächen der Dichtleisten 33, 34 umschließen hingegen ohne Kontakt etwa den halben Umfang der Rollen 32. Dabei ergeben sich in der Zeichnung nicht dargestellte schmale Schlitze längs der Außen- und der Innenfläche der Dichtleisten 33, 34, die eine reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen den Dichtleisten 33, 34 und den Dichtungslippen einerseits sowie zwischen den Dichtleisten 33, 34 und den Rollen 32 andererseits bilden.The inner surfaces of the sealing strips 33, 34, on the other hand, enclose approximately half the circumference of the rollers 32 without contact result in the drawing, not shown, narrow slots along the outer and inner surface of the sealing strips 33, 34, which have a frictionless labyrinth seal between the sealing strips 33, 34 and the sealing lips on the one hand and between the sealing strips 33, 34 and the rollers 32 on the other hand.
Die Mantelplatten 23 bis 28 des Rotors 9 befinden sich in einem Abstand von der Innenoberfläche des elliptischen Innenraums bzw. des Gehäuses 1, 2, so daß sich im BereichThe jacket plates 23 to 28 of the rotor 9 are located in a distance from the inner surface of the elliptical interior or of the housing 1, 2, so that in the area
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des geringsten Wandabstands jeweils ein achsparalleler Längsschlitz an der Plattenaußenfläche und damit eine reibungsfreie Labyrinthdichtung ergibt.of the smallest wall distance, an axially parallel longitudinal slot on the outer surface of the plate and thus one friction-free labyrinth seal results.
Des weiteren bilden die Stirnflächen 80 mehrere Rotorschaufeln 35 bis 40 mit der ihnen gegenüberliegenden Kammerinnenwandung in der Zeichnung nicht dargestellte Längsschlitze, die ebenfalls als reibungsfreie Labyrinthdichtungen fungieren. Dabei sind die Rotorshaufeln 35 bis 40 so angeordnet, daß sie sich mit geringem Abstand, d.h. berührungsfrei an den Wandungen der Radialkammern 10, 11 vorbeibewegen und gleichzeitig als Dichtung in bezug auf die Innenoberfläche des Gehäuses wirken.Furthermore, the end faces 80 form a plurality of rotor blades 35 to 40 with the opposite chamber inner wall in the drawing, not shown, which are also as frictionless labyrinth seals act. The rotor blades 35 to 40 are arranged so that they are closely spaced, i. E. contact-free on the walls of the radial chambers 10, 11 move past while acting as a seal with respect to the interior surface of the housing.
Um eine gleitende Reibung zu vermeiden, sind die Rotorschaufeln 35-bis 40 an den Rollen 32 geführt, die sich in dem Maße drehen, wie sich die Rotorschaufeln in den Radialschlitzen des Rotors 9 hin- und herbewegen. Um dabei eine ausreichende Dihtung zu gewährleisten, sind die Rotorschaufeln 35 bis 40 vorzugsweise mit Kunststoff beschichtet. Im Verlaufe der Rotordrehung pendeln die Rotorschaufeln 35 bis von einer Schlitzseite zur anderen. Dies ermöglichen die Dichtleisten 33, 34 und die Dichtungslippen 29.In order to avoid sliding friction, the rotor blades 35 to 40 are guided on the rollers 32, which are located in FIG rotate as the rotor blades turn in the radial slots of the rotor 9 to and fro. The rotor blades are designed to ensure sufficient twisting 35 to 40 preferably coated with plastic. In the course of the rotor rotation, the rotor blades 35 to oscillate from one side of the slot to the other. This is made possible by the sealing strips 33, 34 and the sealing lips 29.
Eine Kurbelwelle 82 weist einen mit Keilen 45 im Lagerstück 21 starr befestigten Wellenzapfen 41 sowie einen weiteren konzentrischen Wellenzapfen 44 auf. An mindestens zwei Kurbeln 42, 43 greifen die Rotorschaufeln 35 bis 40 gruppenweise an. So sind die Rotorschaufeln 35 bis 37 über Verbindungsstücke 46 mittels druckdichter und korrosionsbeständiger Lager 48 auf den Kurbeln 43 gelagert, währendA crankshaft 82 has a shaft journal 41 that is rigidly fastened in the bearing piece 21 with wedges 45 and another concentric shaft journal 44 on. The rotor blades 35 to 40 grip in groups on at least two cranks 42, 43 at. The rotor blades 35 to 37 are pressure-tight and corrosion-resistant by means of connecting pieces 46 Bearing 48 mounted on the cranks 43 while
der andere Satz Rotorschaufeln 38 bis 40 ebenfalls mittels eines druckdichten und korrosionsbeständigen Lagers 48 über Verbindungsstücke 47 auf der anderen Kurbel 42 gelagert ist.the other set of rotor blades 38 to 40 likewise by means of a pressure-tight and corrosion-resistant bearing 48 is mounted on the other crank 42 via connecting pieces 47.
Der Wellenzapfen 44 ist mittels eines druckdichten und korrosionsbeständigen Lagers 53 so in dem Deckel 13 gelagert, daß dieser um den Zapfen rotieren kann und die drehfeste Lagerung der Kurbelwelle 82 trotz der Rotordrehung um die Welle gewährleistet ist. Die Deckel 12, 13 besitzen im übrigen mehrere Montageöffnungen 49.The shaft journal 44 is mounted in the cover 13 by means of a pressure-tight and corrosion-resistant bearing 53, that this can rotate around the pin and the non-rotatable mounting of the crankshaft 82 despite the rotation of the rotor around the shaft is guaranteed. The covers 12, 13 also have several assembly openings 49.
Die Auslässe 7 und 8 stehen mit den beiden Radialkammern 10, 11 aus Gründen der Geräuschverringerung über neben und hintereinander angeordnete Kanäle 50 in den beiden Gehäusehälften 1, 2 in Verbindung. Die Kanäle besitzen einen so kleinen Querschnitt, daß sich zwischen den einzelnen Gasstrahlen schallmindernde Interferenzen ergeben. Andererseits führen die beiden Einlasse 6, 7 das Antriebsmedium durch mehrere hintereinander angeordnete, mögliehst große in Richtung auf die Rotorschaufeln ge-' neigte Öffnungen 51 in die Kammern 10, 11 zu den vorbeistreichenden Rotorschaufeln·.The outlets 7 and 8 are next to the two radial chambers 10, 11 for reasons of noise reduction and channels 50 arranged one behind the other in the two housing halves 1, 2 in connection. Own the channels such a small cross-section that there is noise-reducing interference between the individual gas jets. On the other hand, the two inlets 6, 7 lead the drive medium through several one behind the other, as large as possible in the direction of the rotor blades inclined openings 51 in the chambers 10, 11 towards the passing Rotor blades ·.
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Legal Events
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