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Wellenlose Turbine
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Leistungsfähige Scheibenströmungsmaschinen erfordern daß ihr Aufbau
so kompakt wie möglich ist, ohne jedoch Einbußen in der Energieausnützung, der Zuverlässigkeit,
der Wartbarkeit und Langlebigkeit in Kauf zu nehmen. Durch die vorliegende Erfindung
werden alle diese Vorzüge in größerem Maße erreicht als bei früheren Modellen.
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Der Erfindung liegt die -Aufgabe zugrunde, die Turbinen- oder Pumpengröße
durch Erzielung höherer Drehzahlen zu verkleinern, dabei jedoch die Rotationsbelastungen
des Materials durchaus innerhalb der derzeitigen Grenzen zu halten.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verbesserung der Strömungswege
des Arbeitsmediums und die Vermeidung unnötiger Druckverluste.
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Die in dem älteren US-Patent 4,036,584 geoffenbarte Scheibenkonstruktion
ergibt eine Scheibenrotorkonstruktion, die sowohl Verschraubungen als auch speichenförmige
Verbindungen mit einer zentralen Spannwelle vermeidet und die Scheiben miteinander
über spiralförmige Stege verbindet und dadurch unterbrochene Scheibenbereiche vermeidet,
die durch Bolzenlöcher hervorgerufen werden und die Drehzahlfestigkeit wegen örtlich
überhöhter Zentrifugalbelastungskonzentrationen vermindern.
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Scheiben mit konstanter Dicke sind bezüglich des Drehzahl/Durchmesserverhältnisses
den bei identischen Naterialbedingungen konventionell beschaufelten Turbinenrotoren
unterlegen, weil die Rotoren nach außen von der Nabe aus parabolisch verjüngt sind
und dadurch annähernd gleiche Belastungen von.der Nabe bis zum Umfang aufweisen.
Die Erfindung erzielt verbesserte Ergebnisse hinschtlich des Verhältnisses des Außendurchmessers
der Nabe zum ScheibenumSadg, indem sie hohle,Scheiben vorsieht, wobei der Hohlraum
durch ein Umfangsband oder einen Reifen abgedichtet wird, die Vorder- und Rückseite
verbinden.
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Diese zusammengesetzte Hohlscheibenkonstruktion kann auch sehr vorteilhaft
auf die undurchbrochene Zentralscheibe angewendet werden, die die Vorwärts-und Rückwärtsströmung
des Turbinenmediums bewirkt, weil die auf diese Weise erreichte zusätzliche strukturelle
Festigkeit die vorderen und hinteren Scheibenpakete, die es verbindet, verstärkt.
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Der durch die stabile durchbrechungsfreie Zentralscheibe erzielte
geteilte Strom ermöglicht eine größere Strömungsvolumenkapazität ohne Zunahme weder
des Außendurchmessers der Scheiben noch des Durchmessers der Auslaßöffnung, weil
die wirksamen Strömungskanäle halbiert werden und an jedem Turbinenende der gleiche
Austrittsquerschnitt zur Verfügung steht anstelle der konventionellen Turbinen mit
nur. einem Austrittsende.
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Die Erfindung sichert einen gerufen Druckabfall des Arbeitsmediums
beim Eintritt durch einen Speicherraum, der langgestreckte Düsenanordnungen beaufschlagt,
die;tso geformt sind, daß sie konvergierende/divergierende Oberflächen bilden, auf
dieSe Weise plötzliche Änderungen der Strömungsrichtung vermeiden
und
einen kontinuierlichen Fluß über die gesamte Weite des Rotors liefern. Wenn konisch
geformte Scheiben verwendet werden, können die in Längsrichtung geraden konvergierenden/divergierenden
Düsenteile durch in Seitenansicht der Turbine betrachtet schraubenförmig geformte
Düsenöffnungen ersetzt werden.
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Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf.die Zeichnung
beispielhaft beschrieben. Es stellen dar: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der
Turbine, teilweise geschnitten; Fig. 2 eine geschnittene Vorderansicht des geteilten
innerhalb des Turbinengehäuses gelagerten Rotors; Fig. 3 eine Seitenansicht der
Turbine nach Fig. 1, geschnitten entlang der Linie 3-3; Fig. 4 eine Aufsicht auf-eine
Scheibe mit einer Steganordnung; Fig. 5 einen Schnitt durch eine modifizierte Scheibe
und Fig. 6 einen Ausschnitt aus zwei benachbarten Scheiben mit modifizierten äußeren
Rändern.
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Wie vorerwähnt, ist in der US-PS 4,036,584 ein wellenloser Turbinenrotor
beschrieben, bei dem Scheiben voneinander durch spralförmig angeordnete Stege getrennt
sind, die das Arbeitsmedium in Richtung einer zentrischen Austrittsöffnung liten.
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Die vorliegende Erfindung ist auf eine Turbine gerichtet, bei der
ein Rotor-Scheibenpaket durch eine zentrale durchgehend geschlossene Scheibe in
zwei Teile unterteilt wird, so daß das Arbeitsmedium von der Mitte des Pakets aus
in einander entgegengesetzten
Richtungen ausströmt. Jedes Teil.paket
ist mit einer in dem Turbinengehäuse gelagerten Welle verbunden und die Wellen enden
vorzugsweise in der Nähe der äußeren Enden der Teilpakete, so daß zentrale Ausströmöffnungen
unbeeinträchtigt bleiben. Ein stationärer Düsenring umgibt die Rotorscheiben und
lenkt das Arbeitsmedium zwischen die äußeren umfänge der Scheiben.
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Innere Stege zwischen den Scheiben trennen benachbarte scheiben und
bilden Verbindungen zwischen dn Scheiben. Die Stege leiten das Medium zu Austrittskanälen
und bilden zusätzliche Flächn für das Arbeitsmedium.
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In Fig. 1 hat die Turbine 1 an jedem Ende ein se tragendes Vakuum-Kopfgehäuse
3 mit einem Gehäuseteil 5, der aus zwei Segmenten 4 und 6 besteht und einander diametral
gegenüberliegenden Einlässen 7 bei der Flanschverbindung 9 (Fig. 3). Die Einlässe
7 können tangential oder senkrecht zur Gehäuseoberfläche angeordnete Rohre sein.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein tragendes Vakuum-Kopfgehäuse 3 dargestellt.
außerdem sind in Fig. 1 die konstruktiven Details einer Seite der Rotorendverbindungen
gezeigt.
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Die Rotoranordnung schließt einen Rotor 10 mit Wellenstummeln 11 und
12 ein, die in Konen 14 bzw. 15 der Segmente 4 bzw. 6 gelagert sind. Die Konen 14
und 15 sind mit durchbrochenen Stegplatten 17 und 18 verschraubt, während innere
Stegplatten 21 und 23 den Rotor 10 und den Düsenring 20 abschließen.
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Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, ist der Düsenring 20 an die
Platten 21 und 23 angeschraubt und schließt vorzugsweise sechs Segmente 25 ein,
die rings um den Rotor 10 verteilt sind und sechs konvergierendeldivergierende Eintrittsdüsen
für das Arbeitsmedium bilden, mit zum Rotor führenden Einschnürungen.
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Der Rotor 10 ist aus einem Paket in Abständen vonein-
ander
gehaltener Scheiben 29 aufgebaut, das durch eine durchgehende Scheibe 30 in zwei
Teile 10 A und 10 B unterteilt ist. Die Scheiben 29 können wie dargestellt flach
oder konisch geformt sein und mit Ausnahme der Steganordnung den Scheiben 20 in
Fig. 7 der US-PS 4,036,584 gleichen. Bei der gegenwärtigen Konstruktion bilden vorzugsweise
die Strömungsstege 33 die einzige Verbindung zwischen den Scheiben. Die Stege 33
sind gebogene flache Streifen, die en der ähe der Zentralbohrung 35 jeder Scheibe
29 vorgesehen sind, und die Bohrungen 35 der Teile 10 A und 10 B sind so ausgerichtet,
daß sie Ausströmkanäle 35 A und 35 B für das Medium auf entgegengesetzten Seiten
der Zentralscheibe 30 bilden. Durchbrochene Endplatten 38 bzw. 39 für die Teile
10 A bzw. 10 B sind auf den Wellen 11 und 12 befestigt.
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Der Rotor 10 ist durch Ringdichtungen 41 in den Platten 21 und 23
abgedichtet, um Leckverluste zu verhindern. Die Dichtungen 41 können aus Grjt bestehen
und Speichennaben 43 und 44 in den Endplatten 38 und 39 verbinden den Rotor 10 mit
den Wellen 11 und 12, während sie den Mediumaustritt aus den Kanälen 35 A und 35
B ermöglichen.
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Die Scheiben 29der Fig. 4 entsprechen den konischen Scheiben der
US-PS 4,036,584 abgesehen davon, daß die Stege 33 verhältnismäßig kurze stromlinienförmige
Streifen und in der Nähe der Zentralbohrungen 35 vorgesehen sind. Die Stege 33 sind
mit benachbarten Scheiben 29 der Zentralscheibe 30 und den Endplatten 38 und 39
verlötet, verschweißt oder auf andere -Weise verbunden, so daß jede Scheibe das
gesamte Rotorpaket und die Zentralscheibe 50 versteift, wobei die Abwesenheit irgendwelcher
Bohrungen in dem hoch beanspruchten Mittelteil in einer überlegenen
zelastbarkeit
resultiert. Die Abwesenheit von Spann-oder Schraubenlöchern ermöglicht, daß das
Rotorpaket höhere Geschwindigkeiten erreicht als möglich wäre, wenn spannungserzeugende
Bolzen und Löcher vorhanden wären.
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In Fig. 5 ist eine alternative hohle Scheibe 129 gezeigt, die aus
zwei Platten 129 A und 129 B hergestellt ist, welche Platten jeweils an einer Seite
gemäß einer annähernd parabolischen Kurve verjüngt sind, ähnlich einer Hälfte einer
konventionellen L'urbinenrotorscheibe. Die zwei Platten sind an ihrem äußeren umfang
an ein band oder einen Reifen 131 angeschweißt oder gelötet und an ihrem inneren
Umfang an einem Nabenring 133. sie Stege sind in dieser bigur weggelassn.
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im Betrieb tritt en Medium wie Dampf oder Gas durch die Einlässe
7 in den Speicherraum 2 der den Düsenring 20 umgibt und zirkuliert im Speicherraum
in Drehrichtung des Rotors. Das Medium durchströmt dann den Düsenring 20 durch die
Einschnürungen in den durch die Segmente 25 gebildeten Düsen 28. Das Arbeitsmedium
tritt dann in die Zwischenräume zwischen benachbarten Scheiben 29 beider Teile 10
A und 10 B ein. Die äußeren Ränder der Scheiben können unterbrochen oder glatt sein,
wie in Fig. 4 gezeigt oder sie können sägezahnartig sein, wie in Fig. 6 gezeigt.
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In Fig. 6 haben die Scheiben 229 sägezahnartige Öffnungen 229 A,
die gegenüber den entsprechenden Öffnungen benachbarter Scheiben versetzt sind.
Diese Ausgestaltung verhindert unerwünschte Verluste aufgrund schlechten Mediumeintritts
vom Düsenring 20 in die Scheibenpakete und erhöht das Drehmoment. Leckverluste an
den Rotorenden sind gleichfalls vermindert, weil ein Querströmen des Mediums vermieden
wird.
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In den Scheibenpaketen wird das Medium von den Stegen 33 geführt,
die die zusätzliche Fläche für die Mediumbewegung darstellen, wobei das Medium durch
die Kanäle 35 A und 35 B in entgegengesetzten Richtungen aus tritt.
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In der am gleichen Tage eingereichten verwandten Anmeldung mit dem
Titel Mehrstufenturbinenrotor sind konvergierende-divergierende Düsen mit t (3 ins
tellbaren Einschnürungen beschrieben und die Offenbarung der Einstelleinrichtungen,
die am besten aus Fig. 7 dieser Anmeldung ersichtlich sind, wird durch Bezugnahme
in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
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Obwohl spezifische Ausführungsformen vorstehend offenbart wurden,
wird der Fachmann offensichtliche Abwandlungen erkennen, ohne vom Gedanken der Erfindung
abzuweichen. Dementsprechend soll der Schutzbereich nicht auf die vorbeschriebenen
spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein, außer durch den Rahmen der Patentansprüche.