DE3300864C1 - Abscheidung von Schmutzteilchen in Radialturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Abscheidung von Schmutzteilchen in Radialturbinen mit zentripetal durchströmtem Laufrad, welches wenigstens einen Laufschaufelkranz aufweist, und mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten Düsenring.

In der US-PS 33 80 711 ist eine Schmutzabscheidung einer Turbine beschrieben, bei welcher die auf Schmutzteilchen wirkenden Zentrifugalkräfte ausgenutzt werden. An die. Einströmspirale schließt sich in radialer Richtung nach außen hin eine sich zumindest teilweise über den Umfang erstreckende Kammer an, in welcher die im Vergleich zum strömenden Medium schwereren Schmutzteilchen aufgrund der einwirkenden Zentrifugalkräfte geschleudert werden. Der hierzu erforderliche konstruktive Aufwand bei der Fertigung des Turbinengehäuses es nicht zu vernachlässigen. Ferner wird durch diese zusätzliche Kammer auch das Gesamtgewicht entsprechend hoch werden.

Ferner ist in der FR-PS 13 90 923 eine Radialturbine mit zentripetal durchströmtem Laufrad beschrieben, bei welcher zur Abscheidung von Schmutzteilchen innerhalb der Einströmspirale zusätzliche Platten angeordnet sind. Diese Platten überlappen sich im Bereich ihrer Enden derart, daß Schmutzteilchen durch dazwischenliegende Spalte nach außen abströmen können Es ist ersichtlich, daß hierbei nicht unerhebliche Strömungsverluste auftreten. Ferner erfordert die Anbringung der Platten im Einströmkanal einen entsprechend großen Herstellungs- und Montageaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, mit einem geringen konstruktiven Aufwand eine zuverlässige Abscheidung zu erhalten, wobei auch ein hoher Wirkungsgrad der Turbine gewährleistet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Austrittsfläche wenigstens einer Düse des Düsenringes und/oder die Eintrittsfläche wenigstens einer Laufschaufel des Laufschaufelkranzes zur Drehachse derart geneigt ist, daß Schmutzteilchen im Strömungsmittel unter Ausnutzung ihres Abprallvermögens im Radialspalt zwischen Düsenring und Laufschaufelkranz eine Bewegungskomponente in Richtung der Drehachse erhalten.

Die vorgeschlagene Abscheidung erfordert bei der Konstruktion und Fertigung der Radialturbine praktisch keinen zusätzlichen Aufwand und es wird dennoch eine zuverlässige Abscheidung von Schmutzteilchen sichergestellt. Es wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die eintretenden Schmutzteilchen langsamer sind als die Umfangsgeschwindigkeit und ferner ständig zwischen

ίο Düsenring und Laufschaufeln reflektiert werden. Aufgrund der vorgeschlagenen Neigung der Austrittsfläche wenigstens einer Düse und/oder der Eintrittsfläche wenigstens einer Laufschaufel erhalten die Schmutzteilchen eine Bewegungskomponente in Richtung der Drehachse. Die somit erreichte Beeinflussung der Bewegungsbahn der Schmutzteilchen führt zu einer überraschend schnellen Herausleitung der Schmutzteilchen aus dem Radialspalt. Die vorgeschlagene Neigung der Austrittsfläche einer Düse und/oder der Eintrittsfläehe kann ersichtlich mit einem geringen Aufwand realisiert werden.

In einer besonderen Ausführungsform ist wenigstens ein Fangraum im Turbinengehäuse und/oder im Düsenring vorgesehen. Dieser Fangraum gewährleistet in einfacher Weise die Aufnahme der aus dem Radialspalt austretenden Schmutzteilchen. Um eine kontinuierliche Abführung der Schmutzteilchen aus dem Fangraum zu erhalten, kann in den Fangraum eine Leitung münden. Es sei angemerkt, daß über den Umfang gegebenenfalls auch mehrere Fangräume vorgesehen sein können, damit nicht im ungünstigen Falle die Schmutzteilchen nahezu eine vollständige Umdrehung mit dem Laufrad mitlaufen müssen. Derartige Fangräume, die ohne Schwierigkeiten auch symmetrisch über den Umfang verteilt angeordnet werden können, lassen sich mit einem geringen konstruktiven Aufwand in dem Turbinengehäuse anordnen.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 teilweise einen schematischen Schnitt quer zur Drehachse einer Radialturbine mit einem Fangraum im Turbinengehäuse,

Fig.2 einen Längsschnitt durch eine Radialturbine mit geneigten Austrittsflächen der Düsen des Düsenringes,

Fig.3 einen Längsschnitt durch eine Radialturbine mit geneigten Eintrittsflächen der Laufradschaufeln und

so F i g. 4 in Vergrößerung einiger Düsen mit geneigten Austrittsflächen.

Die schematische Darstellung gemäß F i g. 1 zeigt ein Laufrad 2 mit Laufschaufeln 4. Das Laufrad ist in hinlänglich bekannter Weise innerhalb eines Turbinengehäuses 6 angeordnet, welches einen den Laufschaufeln 4 zugeordneten Düsenring 8 mit einer Anzahl von Düsen 10 enthält. In einen Ringspalt 12 zwischen den Laufschaufeln 4 und dem Düsenring 8 gelangen durch die Düsen 10 hindurch zusammen mit dem Strömungsmedium, insbesondere mit dem Dampf, eintretende Schmutzteilchen.

Da derartige Schmutzteilchen langsamer als die Umfangsgeschwindigkeit sind, werden sie grundsätzlich ständig zwischen den Laufschaufeln 4 und Düsenring hin und her reflektiert und zwar solange, bis sie klein genug sind, um dem Strömungsmedium zu folgen. Die durch den häufigen Aufprall der Schmutzteilchen an den Laufschaufeln 4 und dem Düsenring 8 bedingte

Schmutzempfindlichkeit der Radialturbine wird durch einen erfindungsgemäß vorgesehenen Fangraum 14 im Turbinengehäuse 6 erheblich verringert. Die Bewegungsbahn der Schmutzteilchen wird aufgrund des Fangraumes 14 unterbrochen und eine weitere Reflexion ist damit unterbunden. Es sei ausdrücklich hervorgehoben, daß über den Umfang der Radialturbine verteilt gegebenenfalls auch mehrere derartige Fangräume 14 vorhanden sind, so daß eintretende Schmutzteilchen bereits nach wenigen Reflexionsvorgängen aus dem Ringspalt 12 heraus in den Fangraum 14 gelangen. An den Fangraum 14 ist eine Leitung 16 angeschlossen, mittels welcher eine kontinuierliche Abführung der Schmutzteilchen aus dem Fangraum 14 erfolgt. Der Fangraum 14 befindet sich im wesentlichen in den gleichen Radialebenen wie die Laufschaufeln 4 und der Düsenring 8 mit seiner Düse 10.

In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Radialturbine sind auf dem Laufrad 2 wenigstens eine oder gegebenenfalls auch mehrere der normalerweise in Umfangsrichtung symmetrisch angeordneten Laufschaufeln 4 nicht vorhanden. Es sind also zwischen den Laufschaufeln 4 bewußt Lücken vorgesehen, welche Durchtrittsmöglichkeiten für Schmutzteilchen und zwar hier in radialer Richtung nach innen darstellen. Der gleiche Effekt kann auch dadurch erzielt werden, daß die Teilchen der Laufschaufeln 4 an wenigstens einer Stelle des Umfanges vergrößert ist, wodurch ebenfalls eine Unsymmetrie erreicht wird und die Schmutzteilchen nach innen abgeleitet werden können.

Es sei an dieser Stelle ausdrücklich hervorgehoben, daß die bereits erläuterten Maßnahmen und auch die nachfolgend noch zu erläuternden Maßnahmen in Rahmen dieser Erfindung miteinander kombiniert werden können, um den jeweiligen Anforderungen und Einsatzbedingungen entsprechend optimale Verhältnisse, insbesondere im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad, zu erhalten.

In F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Radialturbine dargestellt, bei welcher die Austrittsflächen 18 des Düsenringes zur Drehachse 20 geneigt angeordnet sind. Wie durch die strichpunktierten Linien 22 angedeutet, gelangt ein Schmutzteilchen bereits nach sehr wenigen Reflexionsvorgängen in einen Ringraum 24. Die durch die strichpunktierte Linie 22 angedeutete Bewegungsbahn erstreckt sich natürlich nicht nur in der Zeichenebene, sondern auch in Umfangsrichtung.

Die Laufschaufeln 4 befinden sich auf einer ersten axialen Stirnfläche, während auf der gegenüberliegenden, zweiten axialen Stirnfläche des Laufrades 2 ein ringförmiges Gegengewicht 26 vorgesehen ist. Das ringförmige Gegengewicht 26 ist durch axiale Schlitze 28 in einzelne Segmente unterteilt, um eine einseitige Versteifung und eine hieraus resultierende zusätzliche Belastung des Laufrades 2 möglichst zu unterbinden.

Das Laufrad 2 ist als eine in Richtung der Drehachse 20 vergleichsweise schmale Scheibe ausgebildet, wobei die genannten Laufschaufeln 4 sowie weitere Laufschaufeln 30 eines zweiten Laufschaufelkranzes einstückig mit dem Laufrad 2 ausgebildet sind. Aufgrund dieser einstückigen Ausbildung, wobei als Werkstoff zweckmäßig ein hochfester, legierter Stahl und zwar bevorzugt in Feinguß verwendet wird, wird eine vergleichsweise geringe rotierende Masse erreicht. Das Laufrad 2 ist über eine Planverzahnung 32, welche hier als eine Hirth-Verzahnung ausgebildet ist, mit einer Welle 34 verbunden. Das Laufrad 2 weist also keine zentrale durchgehende Bohrung zum Ankoppeln an eine Welle auf, sondern es ist als eine durchgehende schmale Scheibe ausgebildet.

Aufgrund der vorgeschlagenen Planverzahnung ist es in besonders einfacher Weise möglich, Wellen unterschiedlicher Größe sowie unterschiedliche Laufräder miteinander zu verbinden, wodurch Herstellungskosten und/oder Lagerhaltungskosten nicht unwesentlich reduziert werden können und letztendlich Standardisierung und Typisierung der Radialturbinen mit besonders geringem Aufwand vorgenommen werden können.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 3 unterscheidet sich von der obigen im wesentlichen dadurch, daß die Eintrittsflächen 36 der Laufschaufeln 4 zur Drehachse 2 geneigt bzw. konisch ausgebildet sind. Auch hierdurch erfahren eintretende Schmutzteilchen eine Axialkraftkomponente, welche zu einer sehr schnellen Abführung der Schmutzteilchen aus dem Ringspalt 12 führt. Das Turbinengehäuse 6 weist hier ein etwa ringförmiges Bauteil 38 auf, welches im Bereich der Laufschaufeln 4 derart ausgebildet ist, daß der oben bereits erwähnte Ringraum 24 geschaffen ist. In diesen Ringraum 24 gelangt über einen Dichtungsspalt 40 ein kleiner, jedoch nicht unerheblicher Anteil des Strömungsmediums, und zwar mit einer den jeweiligen Gegebenheiten entsprechenden Leckrate. Dieser Anteil des Stömungsmediums erfährt nun zunächst eine Abbremsung, um dann beim Eintritt über einen weiteren Dichtungsspalt 42 wieder beschleunigt zu werden; hiermit ist grundsätzlich eine Verringerung des Wirkungsgrades verbunden. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, mündet daher in den Ringraum 24 wenigstens eine Ausgleichsöffnung 44, welche auf den Abströmkanal 46 geführt ist. Der durch den Dichtungsspalt 40 austretende Leckanteil des Strömungsmediums wird somit abgeführt und muß nicht mehr beschleunigt werden.

F i g. 4 zeigt in einer Vergrößerung einen Düsenring 8, bei welchem die Eintrittsflächen 36 zur Zeichenebene und somit zur Drehachse des Laufrades 2 geneigt angeordnet sind. Aufgrund der Neigung bzw. Schrägstellung der Austrittsflächen erhalten Schmutzteilchen eine Axialkraftkomponente, welche eine schnelle Ableitung aus dem Ringspalt 12 bewirkt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

33 OO 864 Patentansprüche:

1. Abscheidung von Schmutzteilchen in Radialturbinen mit zentripetal durchströmtem Laufrad, welches wenigstens einen Laufschaufelkranz aufweist, und mit einem in einem Turbinengehäuse angeordneten Düsenring, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsfläche (18) wenigstens einer Düse (10) des Düsenringes (8) und/oder die Eintrittsfläche (36) wenigstens einer Laufschaufel (4) des Laufschaufelkranzes zur Drehachse (20) derart geneigt angeordnet ist, daß Schmutzteilchen im Strömungsmittel unter Ausnutzung ihres Abprallvermögens im Radialspalt zwischen Düsenring (8) und Laufschaufelkranz eine Bewegungskomponente in Richtung der Drehachse (20) erhalten.

2. Abscheidung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Turbinengehäuse (6) und/oder im Düsenring (8) wenigstens ein Fangraum (14) vorgesehen ist.

3. Abscheidung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur kontinuierlichen Abführung von Schmutzteilchen in den Fangraum (14) eine Leitung (16) mündet.