DE3217598C2

DE3217598C2 - Radialturbine

Info

Publication number: DE3217598C2
Application number: DE3217598A
Authority: DE
Inventors: Klaus 6711 Großkarlbach Linck; Joachim 6100 Darmstadt Nottrott; Bernd Dipl.-Ing. 6701 Maxdorf Schmitt
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1982-05-11
Filing date: 1982-05-11
Publication date: 1984-07-05
Also published as: JPS58204901A; JPH0370082B2; DE3217598A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Radialturbine mit einem radial einwärts durchströmten, fliegend gelagerten Laufrad. In der Vergangenheit ergaben sich vor allem auf Grund der großen Masse des Laufrades beträchtliche Schwierigkeiten, welche aufwendige Konstruktionen bedingten. Nur in Sonderfällen kamen Turbinen mit zweiseitig gelagerten Laufrädern zum Einsatz. Mit einseitig gelagerten Laufrädern konnten die aus thermodynamischen Gründen zur Erreichung des Wirkungsgradmaximums erforderlichen Drehzahlen nicht gefahren werden. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß das Laufrad mit den Schaufeln aus einem einzigen Stück besteht, wodurch die rotierende Masse des Laufrades nicht unerheblich verringert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Radialturbine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In der DE-AS 1112 860 ist eine Gasturbine beschrieben, deren Laufrad über eine Planverzahnung mit der Welle verbunden ist. Am gegenüberliegenden Ende der Welle kann über eine Kupplung die Welle einer weiteren Maschine angekuppelt werden. Bei der bekannten Gasturbine, welche bekanntlich für Temperaturen bis zu 10 000⁰C ausgelegt werden muP, soll durch die Stirnverzahnung ein geringer Wärmefluß von der Laufradnabe zur Welle hin erreicht werden. Ferner sollen gegenseitige Bewegungen zwischen Laufrad und Welle infolge von großen Temperaturdifferenzen durch die Stirnverzahnung aufgenommen werden können.

Ferner ist in der GB-PS 1 18 614 eine einstufige Axialturbine beschrieben, deren Laufrad flach und schmal ausgebildet ist. Es sei festgehalten, daß bei derartigen Axialturbinen eine derartige Ausbildung des Laufrades ohne Schwierigkeiten realisiert werden kann. Das Laufrad ist mit einem freien Ende einer Getriebewelle verbunden, wobei zwischen Turbinengehäuse und Lagergehäuse ein freier Zwischenraum vorhanden ist. Dieser Zwischenraum ist aus Dichtungsgründen vorgesehen, und die Getriebewelle weist dementsprechend eine große Länge auf. Der Axialhub wird von der Getriebewelle und den schräg verzahnten Zahnrädern des Getriebes aufgenommen.

Der Erfindung liegt ausgehend von einer Radialturbine der eingangs genannten Art die Aufgabe zugrunde, den turbinenseitigen Aufwand zu reduzieren und eine einfache Konstruktion vorzuschlagen, bei welcher in Verbindung mit dem Getriebe Turbinenbauteile entfallen können. .

Zur Lösung werden die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale vorgeschlagen. Die Radialturbine und das nachgeschaltete Getriebe sind in besonders einfacher Weise integriert, wobei aufwendige Verbindungsteile zwischen Lagergehäuse und Getriebe entfallen können. Die Turbine kann ohne Schwierigkeiten mit unterschiedlich ausgebildeten Getrieben zwecks Dreh/.ahlanpassung kombiniert werden, wobei in Verbindung mit der an sich bekannten Planverzahnung die Standardisierung nach Typenreihen in besonders zweckmäßiger Weise erfolgen kann. Ein Zwischenraum zwischen Turbine und Getriebegehäuse ist nicht erforderlich, so daß die Welle eine vergleichsweise geringe Länge aufweisen kann.

In einer besonderen Ausgestaltung liegt die Auslegungsdrehzahl der Turbine über der ersten biegekritischen Drehzahl. Es hat sich überraschend gezeigt, daß die aus thermodynamischen Gründen erforderlichen Umfangsgeschwindigkeiten bei einer hohen Betriebssicherheit beherrscht werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung sind der Lagerung der Welle äußere Lagerungsdämpfungselemente zugeordnet. Aus der Zeitschrift »MTZ« 31, 1970, Heft 9, S. 403, insbesondere BiIdIO, sind Einzelheiten eines quetschfilmgedämpften Lagers bekannt. Durch den Quetsch-Ölfilm soll die Übertragung von Rotorschwingungen auf das Gehäuse eines Flugtriebwerkes erheblich reduziert werden können. Allgemein sind äußere Lagerdämpfungselemente bekannt, doch hat es sich gezeigt, daß bei einer Radialturbine der vorliegenden Art mittels derartigen Dämpfungselementen sehr zuverlässig die Schwingungsamplituden beim Durchlaufen der kritischen Drehzahl begrenzt werden können und eine hohe Funktionssicherheit gewährleistet werden kann.

Die Erfindung ,wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Radialturbine im Bereich eines Laufrades und

F i g. 2 schematisch eine an sich bekannte äußere Lagerdämpfung für die gemeinsame Welle von Getriebe und Laufrad.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Radialturbine und zwar im Bereich eines Laufrades 2 dargestellt.

Ein Turbinengehäuse 4 nimmt in bekannter Weise das Laufrad 2 auf und enthält einen Düsenkranz 6 mit über den Umfang verteilten Einströmdüsen 8. Das Laufrad 2 ist um die Längsachse 10 drehbar und es enthält, radial außenliegend, äußere Laufschaufeln 12 eines ersten Laufschaufelkranzes 14. Nachfolgend durchströmt das Medium in bekannter Weise mit dem Turbinengehäuse 4 verbundene Leitschaufeln 16 und gelangt dann zu inneren Laufschaufeln 18 eines zweiten Laufschaufelkranzes 20. Es liegt somit eine zweistufige Radialturbine vor, bei welcher das Medium nach Verlassen des zweiten Laufschaufelkranzes 20 etwa in axialer Richtung über einen Diffusor in bekannter Weise abströmt.

Das Laufrad 2 ist mit den Laufschaufeln 12 und 18 einstückig ausgebildet und es besteht aus einem hochfesten legierten Stahl. Das derart ausgebildete Laufrad 2 ist in Feinguß hergestellt. Im radial innenliegenden Bereich der Schaufelbasis 22 weist das Laufrad 2 einen Radius R 1 auf, wobei dort eine axiale Länge L 1 gegeben ist. Das Verhältnis L i : R 1 ist kleiner als 0,15 und es bleibt von dem genannten Bereich aus gesehen in radialer Richtung nach innen zur Längsachse 10 hin, und zwar bis näherungsweise zu den inneren Laufschaufeln 18 hin, weitgehend erhalten; die Querschnittsfläche zwischen den äußeren Laufschaufeln 12 und den inneren Laufschaufeln 18 ist somit näherungsweise als rechteckförmig zu bezeichnen. Es ist ersichtlich, daß durch diese vergleichsweise schmale bzw. in Richtung der Längsachse 10 kurze Ausbildung des Laufrades eine geringe Masse des Laufrades 2 bedingt ist. Andererseits hat es

en sich überraschenderweise erwiesen, daß die bei hohen Drehzahlen des Laufrades 2 auftretenden Massenkräfte dennoch zuverlässig aufgenommen werden können. Durch die einstückige Ausbildung sind entsprechend

schwere Aufnahmevorrichtungen für die Schaufelfüße von einzelnen Schaufeln hier nicht erforderlich. Die axiale Länge L 2 im radial innenliegenden Bereich der Schaufel 18 ist relativ klein ausgebildet, wobei das Verhältnis zu dem dort angegebenen Radius R 2 kleiner als 0,8 ist. Die genannte axiale Länge L 2 des Laufrades 2 bleibt bis hin zur Längsachse 10 erhalten. Auch hierdurch wird eine nicht unwesentliche Reduzierung der Masse des Laufrades 2 erreicht Das Laufrad 2 ist letztendlich als eine in axialer Richtung sehr schmale Schei- be ausgeführt, welche mit den Laufschaufeln 12 und 18 aus einem einzigen Stück besteht.

Die Gesamtmasse des Laufrades 2 kann daher sehr klein gehalten werden, so daß die aus thermodynamischen Gründen erforderlichen hohen Umfangsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen auch zuverlässig beherrscht werden.

Das etwa scheibenförmig ausgebildete Laufrad 2 ist über eine Hirth-Verzahnung 24 mit einer Welle 26 gekoppelt, wobei über Schrauben 28 eine feste Verbindung hergestellt ist. Die Schrauben 28 sind von der Ausströmöffnung her zugänglich, so daß eine schnelle und einfache Montage sichergestellt ist. Mittels der Hirth-Verzahnung 24 wird eine gute Zentrierung des Laufrades 2 in einfacher Weise erreicht. Die Welle 26 gehört zu einem Getriebe, welches sich in der Zeichnung hier rechts an die Turbine anschließt und hier nicht weiter erläutert werden soll. Es ist jedoch von besonderer Bedeutung, daß das Laufrad 2 in einfacher Weise mit der Welle 26 bzw. Getriebewelle verbindbar ist und somit, je nach den Anforderungen, ohne weiteres auch Getriebe mit verschiedenen Übertragungsverhältnissen oder sonstigen Leistungsdaten mit der Turbine verbindbar sind. Da das Laufrad 2 unmittelbar an die Welle 26 angekoppelt ist, ist ein besonderes Lager für das Laufrad 2 nicht erforderlich. Turbinen und Getriebe sind miteinander integriert und das Lager stützt sowohl das Laufrad 2 als auch die Getriebewelle 26. Es sei hier nochmals hervorgehoben, daß das Laufrad fliegend gelagert ist, so daß nur eine einzige Wellendichtung 30 mit entsprechend geringen Leckdampfverlusten erforderlich ist.

Die Turbine ist mit einer leichten Reaktion in der ersten Stufe ausgeführt. Hierbei hat es sich als zweckmäßig erwiesen etwa 90% in den Einströmdüsen 8 des Düsenkranzes 6 umzusetzen und bis etwa 10% im Laufrad 2 umzusetzen. Dies gilt für den Bereich des Auslegungspunktes. In dem Raum 32. welcher zwischen den Einströmdüsen 3 und der Wellendichtung 30 sich befindet und ferner einerseits durch das Gehäuse 6 und andererseits durch das Laufrad 2 begrenzt wird, bildet sich somit ein vorgegebener Druck aus, welcher in Richtung des Pfeiles 34 auf das Laufrad 2 wirkt und einen Axialschub entgegengerichtet ist.

Gemäß Fig. 2 ist schematisch eine ansich bekannte äußere Lagerdämpfung für die Welle 26 dargestellt. F i g. 2 schließt sich in Verlängerung der Welle 26 gemäß Fi g. 1 unten rechts an. Die Welle 26 ist von einem ringförmigen Lager 36 umgeben, welches in einem Lagerträger 38 des Gehäuses 4 angeordnet ist. Zwischen Lagerträger 38 und Gehäuse 4 befindet sich ein Quetschölspalt 40, welcher mittels hier als O-Ringen ausgebildeten Dichtungen 42 abgedichtet ist. Diese hier beispielhaft dargestellten Elemente zur äußeren Lagerdämpfung können auch durch andere hinlänglich bekannte h5 Dämpferelemente, beispielsweise Blech paket-Dämpf er, Drahtkisscn-Därnpfer ersetzt werden. Es wird in Kombination mit dem vorgeschlagenen 1 .aiiirad zuverlässig auch bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten das Wirkungsgradmaximum der Radialturbine erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radialturbine mit einem radial durchströmten, fliegend gelagerten Laufrad, welches in Richtung der Längsachse als eine schmale Scheibe ausgebildet ist und mit seinen Laufschaufeln aus einem einzigen Stück besteht, wobei das Laufrad direkt mit einer Welle über eine Planverzahnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (26) die eines Getriebes ist und im Getriebegehäuse gelagert ist.

2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslegungsdrehzahl der Turbine über der ersten biegekritischen Drehzahl liegt

3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerung der Welle (26) äußere Lagerdämpfungselemente zugeordnet sind.