DE4004733A1

DE4004733A1 - REACTIVE BEAM TURBINE

Info

Publication number: DE4004733A1
Application number: DE19904004733
Authority: DE
Inventors: Vladimir Petrovic Ena; Sergej Konstantinovic Korolev; Viktor Ivanovic Litvinenko; Irina Aleksandrovna Marockina; Pavel Pavlovic Prichodcenko; Vladimir Viktorovic Psarev; Jurij Leonidovic Ruchlov; Vadim Vasilevic Sajapin; Nikolaj Dmitrievic Fedorenko
Original assignee: VNI I KT I KOMPRESSORNOGO MASI
Current assignee: VNI I KT I KOMPRESSORNOGO MASI
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1990-02-15
Publication date: 1991-08-22
Also published as: GB9002996D0; FR2658862A1; GB2240817A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Turbinenbau, genauer auf eine reaktive Strahlturbine.The present invention relates to turbine construction, more precisely on a reactive jet turbine.

Am zweckmäßigsten wird die vorliegende Erfindung als Kraftleitelement in den Antrieben verschiedener Konstruktionen, insbesondere in den Reversierantrieben von Asperr-Regelarmaturen angewendet.The present invention is most convenient as a force guiding element in the drives of various constructions, especially in the reversing drives from Asperr control valves applied.

Bekannt sind verschiedenen Typen von beschaufelten Luft-Gasturbinen, und zwar Axial-, Radial- und Radial- Axialturbinen (N. N. Bykov u. a. "Demensionierung und Berechnung von Kleinleistungsturbinen zum Antrieb von Aggregaten", 1972, Verlag "Mashinostroenie", Moskau, S. 31, Fig. 2.1, S. 196 Fig. 7.8, S. 199 Fig. 7.9). Diese Turbinen enthalten ein Gehäuse, in dem auf Lagerungen ein Läufer angeordnet ist, der in Gestalt einer Welle mit zumindest einem Laufrad ausgeführt ist, auf dem Laufschaufeln angebracht sind. Im Gehäuse ist eine Zuleitungsvorrichtung vorhanden, die das Arbeitsmittel (Flüssigkeit, Gas) dem Laufrad zuleitet. Die Zuleitungsvorrichtung kann entweder in Gestalt von Leitschaufelgittern oder aber in Gestalt von Zuleitungsdüsen (Speisedüsen) ausgeführt sein. Nach dem Laufrad ist in der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels eine Auspuffvorrichtung angeordnet, die einen Diffusor (einen Schaufeldiffusor bzw. einen schaufellosen Diffusor) darstellt.Different types of bladed are known Air gas turbines, namely axial, radial and radial Axial turbines (N. N. Bykov et al. "Demensioning and calculation of low-performance turbines to drive units ", 1972, publisher "Mashinostroenie", Moscow, p. 31, Fig. 2.1, p. 196 Fig. 7.8, p. 199 Fig. 7.9). These turbines contain a housing in which to store Runner is arranged in the shape of a shaft with is carried out at least one impeller on the blades are attached. There is a supply device in the housing available that the work equipment (liquid, Gas) to the impeller. The feed device can either in the form of guide vane grids or in the form of supply nozzles (feed nozzles) be. According to the impeller is in the direction of flow Work equipment arranged an exhaust device that a diffuser (a blade diffuser or a bladeless Diffuser).

Die bekannten Turbinen gewährleisten die Umformung der (potentiellen) Arbeitsmittelenergie in mechanische Arbeit auf der Läuferwelle dank der Umkehr der Strömungsrichtung der Arbeitsmittels sowie der Expansion desselben. Hierbei werden ausreichend hohe Ausgangsparameter dieser Turbinen erreicht, die nicht schlechter als die Parameter von anderen bekannten Turbinentypen sind. Jedoch zeichnen sich diese Turbinen durch einen erheblichen Herstellungsaufwand infolge der komplizierten räumlichen Form von Lauf- und Leitschaufeln und hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit (kleine Spalte zwischen den Laufradschaufeln und dem Gehäuse, genaue gegenseitige Lage von Leitschaufeln bzw. Zuleitungsdüsen und Laufradschaufeln) aus. Darüber hinaus wird die Konstruktion der bekannten Turbinen bei einem hohen verfügbaren Arbeitsmitteldruck (d. h. bei einer großen verfügbaren Enthalpiedifferenz) wegen der dabei zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades erforderlichen mehrstufigen Ausführung derselben sehr kompliziert. Beim Betrieb mit einem feuchten und/oder verunreinigten Arbeitsmittel nehmen die Betriebszuverlässigkeit und Betriebsdauer dieser Turbinen infolge der Schaufelanfressung bzw. -verunreinigung, bei niedrigen Arbeitsmitteltemperaturen aber infolge der Schaufelvereisung und der Verstopfung von Schaufelkanälen mit Eis beträchtlich ab. Relativ hohe Beträge von Läuferträgheitsmomenten, insbesondere bei den Mehrstufenturbinen, bedingen eine Verschlechterung von dynamischen Charakteristiken, was die Steuerungssysteme sehr kompliziert und in einigen Fällen die Anwendung dieser Turbinen als Ausführungsglied der genannten Steuerungssysteme überhaupt unmöglich macht. Darüber hinaus führt die notwendige Gewährleistung der Reversierungsmöglichkeit dieser Turbinen zu einer weiteren erheblichen Komplizierung ihrer Konstruktion.The known turbines ensure the forming the (potential) working medium energy in mechanical Work on the rotor shaft thanks to the reversal of the flow direction the work equipment and the expansion of the same. This results in sufficiently high output parameters of those turbines that are no worse than that Are parameters of other known turbine types. However these turbines are characterized by a considerable manufacturing effort due to the complicated spatial Form of blades and guide vanes and high requirements the manufacturing accuracy (small column between the Impeller blades and the housing, accurate mutual Position of guide vanes or feed nozzles and impeller blades) out. In addition, the construction of the known turbines at a high working fluid pressure available (i.e. with a large enthalpy difference available) because of doing so to achieve a high Efficiency required multi-stage execution the same very complicated. When operating with a use damp and / or contaminated equipment the operational reliability and service life of this Turbines due to blade seizure or contamination, at low working fluid temperatures, however due to bucket icing and clogging of Scoop channels with ice considerably. Relatively high Amounts of rotor moments of inertia, especially at the multi-stage turbines cause a deterioration of dynamic characteristics of what the control systems very complicated and in some cases the application of these turbines as execution member of the above Control systems at all impossible. About that the necessary guarantee of the possibility of reversing also leads of these turbines to another considerable complication of their construction.

Eine bekannte reaktive Strahlturbine (W. W. Solodownikov u. a. "Technische Kybernetik. Aufbau und Elemente von automatischen Regelungs- und Steuerungssystemen", Band 3, "Ausführungseinrichtungen und Servomechanismen", 1976, Verlag "Mashinostroenie", Moskau, SS. 519-520, Fig. XI.8, SS. 539-543 Fig. XI.17; N. I. Kirillow u. a. "Theorie der Turbomaschinen", Lehrmittel für Hochschulen, Verlag "Mashinostroenie", Leningrad, 1974, SS. 87-90, Fig. IV.4; D. L. Schirer "Pneumatische Elemente für Bedingungen mit Höchsttemperaturen und hoher Strahlungsintensität", Berichte des II. Internationalen Kongresses der Internationalen Föderation der automatischen Steuerung, Basel, Schweiz, Band "Technische Automatikmittel", 1965, Verlag "Nauka", Moskau, SS. 54-57) enthält einen Läufer, der in Gestalt einer zumindest einen axialen Kanal besitzenden Welle ausgeführt ist, auf der zumindest ein Stutzen fliegend angebracht ist, der an seinem freien Ende eine Schubdüse besitzt, die mit dem Eingang eines axialen Kanals unter Bildung eines ununterbrochenen Gasströmungsweges in Verbindung gesetzt ist, sowie zumindest eine Zuleitungsvorrichtung, die einen Berührungsstirndichtung oder eine radiale Berührungsdichtung (bzw. eine berührungsfreie Spalt- oder Labyrinthdichtung) einschließt.A well-known reactive jet turbine (W. W. Solodownikov u. a. "Technical cybernetics. Structure and elements of automatic regulation and control systems ", Volume 3, "Execution devices and servomechanisms", 1976, Publisher "Mashinostroenie", Moscow, pp. 519-520, Fig. XI.8, SS. 539-543 Fig. XI.17; N. I. Kirillow et al. a. "Theory of Turbomachinery ", teaching aids for universities, publisher" Mashinostroenie ", Leningrad, 1974, pp. 87-90, Fig. IV.4; D. L. Schirer "Pneumatic elements for conditions with Maximum temperatures and high radiation intensity ", reports of the 2nd International Congress of the International Federation of Automatic Control, Basel, Switzerland, volume "Technical automatic means", 1965, publisher "Nauka", Moscow, pp. 54-57) contains a runner who lives in Shape of at least one axial channel Shaft is executed on which at least one nozzle is attached flying, one at its free end Thruster possesses that with the entrance of an axial Channel forming an uninterrupted gas flow path is connected, as well as at least one Supply device that has a contact face seal or a radial contact seal (or a non-contact Gap or labyrinth seal).

Die bekannte reaktive Strahlturbine ist schaufellos, und das Drehmoment an der Welle derselben (mechanische Arbeit) wird durch eine direkte Umformung der verfügbaren Energie (der verfügbaren Enthalpie) in Form des Arbeitsmitteldruckes in kinetische Energie eines aus der Schubdüse austretenden Strahls unter Erzeugung eines Strahlschubes an der Schubdüse und demgemäß eines Drehmomentes auf der Läuferwelle infolge der entstehenden Schubkraft erzeugt. Gegenüber den Schaufelturbinen besitzen die bekannten reaktiven Strahlturbinen eine Reihe von Vorteilen, und zwar: eine einfache Läuferkonstruktion und folglich einen geringen Herstellungsaufwand wegen fehlender kompliziert aufgebauter Beschaufelungen sowie gleichfalls nicht vorhandener garantierter Spalte. Dank der Strömung im Gasströmungsweg und der in der vorhandenen Düse erfolgenden, der isentropischen nahen Expansion, wobei am Düsenaustritt hohe supersonische Geschwindigkeiten erzielt werden, wird die Möglichkeit einer effektiven Abarbeitung hoher verfügbarer Arbeitsmitteldrücke in einer Stufe gewährleistet, wobei der Wirkungsgrad des Prozesses mit zunehmendem Druck größer wird. Dabei wird der Wirkungsgrad des Expansionsprozesses (adiabat bzw. polytrop) vorwiegend durch den Düsengeschwindigkeitsfaktor bestimmt:The well-known reactive jet turbine has no blades, and the torque on the shaft of the same (mechanical Work) is made by directly reshaping the available Energy (of the available enthalpy) in the form of the working fluid pressure in kinetic energy one from the Thruster emerging jet producing a Jet thrust at the thrust nozzle and accordingly a torque on the rotor shaft as a result of the emerging Thrust generated. Own across from the blade turbines the known reactive jet turbines a number of advantages, namely: a simple rotor construction and consequently a low manufacturing cost lack of complex blades as well as a non-existent guaranteed column. Thanks to the flow in the gas flow path and that in the existing one Nozzle occurring, the isentropic near expansion, with high supersonic speeds at the nozzle outlet the opportunity will be achieved an effective processing of high available working pressures guaranteed in one stage, the The efficiency of the process increases with increasing pressure becomes. The efficiency of the expansion process (adiabatic or polytropic) mainly due to the nozzle speed factor certainly:

wo es bedeutet:
h - spezifische Nutzarbeit (Enthalpie) des Expansionsprozesses;
h₁* - spezifische Arbeit (Enthalpie), die dem isentropen Prozeß entspricht;
- Düsengeschwindigkeitsfaktor,
wo C₁ die tatsächliche Düsenaustrittsgeschwindigkeit,
C_1t die dem isentropen Prozeß entsprechende Austrittsgeschwindigkeit bedeutet.where it means:
h - specific useful work (enthalpy) of the expansion process;
h₁ * - specific work (enthalpy), which corresponds to the isentropic process;
- nozzle speed factor,
where C₁ is the actual nozzle exit speed,
C _1t means the exit velocity corresponding to the isentropic process.

Da die Strömung in den Düsen meist ohne Ablösungen und Verdichtungssprünge stattfindet, erreicht der Geschwindigkeitsfaktor folgende Werte: ϕ≅0,99 für profilierte Düsen und ϕ≅0,97-0,98 für unprofilierte Kegeldüsen, und der Wirkungsgrad des Expansionsprozesses erreicht demgemäß auch hohe Werte. Der Austrittswirkungsgrad der bekannten reaktiven Strahlturbine kann auch durch den Schubdüsenwirkungsgrad ausgedrückt sein, der dem Quadrat der effektiven Austrittsgeschwindigkeit (dem spezifischen Schubdüsenimpuls) bzw. dem Quadrat des spezifischen Schubes p proportional ist, der das Verhältnis des Schubes P (in kp) zum Durchsatz G (in kg/sek) darstellt. Mit zunehmenden Arbeitsmitteldruck vor der Düse nehmen die erwähnten spezifischen Düsenparameter auch zu, was die Erzielung eines hohen Austrittswirkungsgrades in der bekannten reaktiven Strahlturbine bei hohen Arbeitsmitteldrücken ermöglicht, wobei der Expansionsprozeß in einer Stufe stattfindet. Darüber hinaus ist in dieser Turbine keine besondere Profilierung des Gasströmungsweges erforderlich, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels im Gasströmungsweg bis zur Düse gering ist und die hydraulischen Verluste in demselben auf ein Minimum reduziert sind. Die Effektivität dieser reaktiven Strahlturbine kann ferner durch die Verwertung des Verdichtungseffektes erhöht werden, der in den Stutzen des Läufers bei dessen Umlauf entsteht. Die bekannte Turbine zeichnet sich durch eine praktisch vollkommene Vermeidung von Ausfällen aus, die mit der Vereisung der Kanäle des Gasströmungsweges beim Betrieb mit feuchtem Arbeitsgas niedriger Temperatur zusammenhängen. Dies ist durch das Fehlen von toten Zonen sowie dadurch bedingt, daß eine jähe Abnahme der Gastemperatur bei der Gasexpansion und Feuchtekondensation nur in der Düse erfolgt, in deren minimalem (kritischem) Querschnitt eine Grenzschicht praktisch nicht vorhanden ist und die Feuchtetropfen von den Düsenwänden durch den Hochgeschwindigkeitsgasstrom abgespült werden. Darüber hinaus zeichnet sich die Turbine durch eine geringe Erosionsanfressung ihrer Elemente aus, was durch das Fehlen von Elementen (Schaufeln) bedingt ist, die den unmittelbaren Angriff von erodierenden Teilchen erfahren. Allerdings kommt es bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten des Läufers wegen des vorhandenen aerodynamischen Widerstandes der Stutzen in ihrer Umgebung zu einer Wirkungsgradabnahme. Darüber hinaus begrenzt die Kompliziertheit der Konstruktion von reibenden Elementen der Zuleitungsvorrichtungen mit Berührungsdichtungen sowie eine niedrige Funktionszuverlässigkeit derselben bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten sowie beim Betrieb mit feuchtem verunreinigtem Gas das Anwendungsgebiet dieser Turbine. Das Anwendungsgebiet der bekannten Turbine wird auch durch die Verwendung von berührungsfreien Dichtungen begrenzt, weil beim Betrieb mit feuchtem verunreinigtem Gas niedriger Temperatur dieser Dichtungselemente mit Schmutz verstopft werden, verschleißen und anfrieren. Die Verwendung von berührungsfreien Dichtungen führt ihrerseits zur Wirkungsgradabnahme wegen in denselben erfolgender Arbeitsmittelverluste.Since the flow in the nozzles mostly without detachments and compression leaps takes place, the speed factor reaches following values: ϕ≅0.99 for profiled nozzles and ϕ≅0.97-0.98 for non-profiled Cone nozzles, and the efficiency of the expansion process accordingly also achieves high values. The exit efficiency the known reactive jet turbine can also be expressed by the thruster efficiency, which is the square of the effective exit velocity (the specific thrust nozzle impulse) or the square is proportional to the specific thrust p which is the Ratio of the thrust P (in kp) to the throughput G (in kg / sec). With increasing work pressure take the specific nozzle parameters mentioned before the nozzle also about what is achieving a high exit efficiency in the well-known reactive jet turbine enables at high working medium pressures, the expansion process takes place in one stage. Furthermore is not a special profile in this turbine of the gas flow path required because of the flow rate of the working fluid in the gas flow path to the nozzle is low and the hydraulic losses in the same are reduced to a minimum. The effectiveness this reactive jet turbine can also by the utilization of the compression effect can be increased, that arises in the runner's neck during its rotation. The well-known turbine is characterized by a practical complete avoidance of failures associated with the Icing of the channels of the gas flow path during operation associated with low temperature humid working gas. This is due to the lack of dead zones as well due to a sudden decrease in gas temperature in gas expansion and moisture condensation only in the nozzle takes place in its minimal (critical) cross section there is practically no boundary layer and the drops of moisture from the nozzle walls through the High speed gas stream can be rinsed off. About that In addition, the turbine is characterized by a low one Erosion erosion of their elements from what that Absence of elements (blades) is due to the experienced immediate attack by eroding particles. However, it happens at high peripheral speeds of the runner because of the existing aerodynamic Resistance of the nozzles in their environment to a decrease in efficiency. It also limits the complexity the construction of friction elements of the supply devices with contact seals as well as a low reliability of the same at high Peripheral speeds as well as when operating with damp contaminated gas the field of application of this turbine. The field of application of the known turbine is also through the use of non-contact seals limited because when operating with moist contaminated Low temperature gas using these sealing elements Dirt becomes clogged, wears out and freezes. The use of non-contact seals leads in turn to decrease efficiency because of the same loss of work equipment.

Bekannt ist eine reaktive Strahlturbine (E. W. Gerz "Pneumatik und Hydraulik. Antriebe und Steuerungssysteme", Heft 10, 1984, (W. W. Sajapin "Optimierung von Parametern eines Druckluftantriebes mit Strahltriebwerk", Verlag "Mashinostroenie", Moskau, S. 58, Fig. 1), die einen Läufer, der in Gestalt einen zumindest einen axialen Kanal besitzenden Welle ausgeführt ist, auf der zumindest einen Stutzen fliegend angebracht ist, der an seinem freien Ende eine Schubdüse besitzt, die mit dem stirnseitigen Eingang eines axialen Kanals unter Erzeugung eines ununterbrochenen Gasströmungsweges in Verbindung gesetzt ist, sowie zumindest eine gasdynamische Zuleitungsvorrichtung enthält, die in Gestalt eines Zuleitungsstutzens ausgeführt ist, der gleichachsig mit der Welle mit einem Spalt in bezug auf die Stirnfläche derselben angebracht ist.A reactive jet turbine is known (E. W. Gerz "Pneumatics and hydraulics. Drives and control systems", Issue 10, 1984, (W. W. Sajapin "Optimization of Parameters of a compressed air drive with jet engine ", publisher "Mashinostroenie", Moscow, p. 58, Fig. 1), the one Runner in the shape of at least one axial Channel owning shaft is executed on the at least a nozzle is attached flying, on his free end has a thrust nozzle that is connected to the front Entry of an axial channel to create a continuous gas flow path is, and at least one gas dynamic supply device contains that in the form of a feed pipe is executed, which is coaxial with the shaft a gap with respect to the end face of the same is.

In dieser reaktiven Strahlturbine geschieht die Zuleitung des Arbeitsmittels (des Arbeitsgases) in Form eines Strahls aus einem Zuleitungsstutzen, der in den stirnseitigen Eingang des axialen Wellenkanals durch einen Spalt einströmt, was die Konstruktion der Vorrichtung einfacher macht und die Betriebszuverlässigkeit bei einem feuchten, verunreinigten und eine niedrige Temperatur besitzenden Arbeitsmittel erhöht. Jedoch kommt es wegen der durch den Spalt zwischen dem Zuleitungsstutzen und dem stirnseitigen Eingang des axialen Wellenkanals erfolgenden Arbeitsmittelverluste zu einer Wirkungsgradabnahme.This happens in this reactive jet turbine Supply of the working fluid (the working gas) in the form of a beam from a feed pipe that is in the frontal input of the axial shaft channel through enters a gap, which is the construction of the device simplifies and increases operational reliability a damp, contaminated and a low temperature owning work equipment increased. However, it does because of the gap between the supply pipe and the front entrance of the axial shaft channel resulting loss of work equipment to a decrease in efficiency.

Der vorliegenden Erfindung war die Aufgabe zugrunde gelegt, eine reaktive Strahlturbine mit einer solchen konstruktiven Ausführung des Zuleitungsstutzens zu schaffen, die die Arbeitsmittelverluste praktisch vollkommen ausschließen und somit den Turbinenwirkungsgrad erhöhen sowie die Betriebszuverlässigkeit der Turbine beim Arbeiten mit einem feuchten, verunreinigten und eine niedrige Temperatur besitzenden Arbeitsmittel steigern würde.The present invention was based on the object laid a reactive jet turbine with one to create a constructive design of the supply connection, which practically completely eliminates the loss of equipment exclude and thus increase the turbine efficiency as well as the operational reliability of the turbine when working with a damp, contaminated and a low Working equipment with temperature would increase.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, daß in der reaktiven Strahlturbine, die einen Läufer, der in Gestalt einer zumindest einen axialen Kanal besitzenden Welle ausgeführt ist, auf der zumindest ein Stutzen angebracht ist, der an seinem freien Ende eine Schubdüse besitzt, die mit dem stirnseitigen Eingang eines axialen Kanals unter Erzeugung eines ununterbrochenen Gasströmungs- Weges in Verbindung gesetzt ist, sowie zumindest eine gasdynamischen Zuleitungsvorrichtung enthält, die in Gestalt eines Zuleitungsstutzens ausgeführt ist, der gleichachsig mit der Welle mit einem Spalt in bezug auf die Stirnfläche derselben angebracht ist, erfindungsgemäß der Austrittsteil des Zuleitungsstutzens in Gestalt einer Speisedüse ausgeführt ist, deren minimale Querschnittsfläche kleiner als die minimale Schubdüsenfläche ist und in einem Verhältnis zu dieser steht, das die Lage des Verdichtungssprunges in der Eintrittszone des axialen Wellenkanals gewährleistet.The task is solved in that the reactive jet turbine that has a runner that is in Shape of at least one axial channel Shaft is executed, on which at least one nozzle is attached is a thrust nozzle at its free end owns that with the front entry of an axial Channel creating a continuous gas flow Way is connected, as well as at least one contains gas dynamic supply device, which in shape of a feed pipe that is executed coaxial with the shaft with a gap with respect to the end face thereof is attached, according to the invention the outlet part of the feed pipe in shape a feed nozzle is designed, the minimum cross-sectional area smaller than the minimum thrust area and is in relation to this, that the position of the compression jump in the entry zone of the axial shaft channel guaranteed.

Die Ausführung des Austrittsteiles des Zuleitungsstutzens in Gestalt einer Speisedüse gewährleistet bei überkritischen Druckverhältnissen die Beschleunigung des Arbeitsmittels und den Eintritt desselben in den axialen Wellenkanal mit supersonischer Geschwindigkeit, was eine praktisch vollkommene Beseitigung von Arbeitsmittelverlusten aus dem axialen Wellenkanal durch den vorhandenen Spalt hindurch gewährleistet, weil sich schwache Störungen (durch das Druckgefälle bedingtes Ausströmen des Gases aus dem axialen Kanal) entgegen dem supersonischen Strom nicht ausbreiten können, wobei nur ein sehr geringer Arbeitsmittelverlust in der dünnen Grenzschicht stattfinden kann, wo die Geschwindigkeit subsonisch ist. Die Ausführung der minimalen Querschnittsfläche der Speisedüse mit einem kleineren Flächeninhalt als die minimale Querschnittsfläche der Schubdüse ist eine unerläßliche Bedingung für die Gewärleistung eines supersonischen Eintritts des Arbeitsmittels in den axialen Wellenkanal, die sich aus der folgenden theoretischen Beziehung ergibt:The execution of the outlet part of the supply connection guaranteed in the form of a feed nozzle supercritical pressure conditions the acceleration of the work equipment and its entry into the axial wave channel with supersonic speed, which is a virtually complete elimination loss of working fluid from the axial shaft channel guaranteed through the existing gap because weak faults (caused by the pressure drop Outflow of the gas from the axial channel) counter cannot spread the supersonic current, whereby only a very small loss of working fluid in the thin Boundary layer can take place where the speed is subsonic. The execution of the minimum cross-sectional area the feed nozzle with a smaller area than the minimum cross-sectional area of the thruster an indispensable condition for the guarantee of a supersonic entry of the working tool in the axial Wave channel resulting from the following theoretical Relationship results in:

wo es bedeutet:
S₃ - minimale Querschnittsfläche der Speisedüse;
S - minimale Querschnittsfläche der Schubdüse;
σ - Koeffizient des Gesamtdruckwiedergewinns innerhalb eines Abschnitts vom Eintritt in die Speisedüse bis zum Eintritt in die Schubdüse (Energieverlustfaktor): where it means:
S₃ - minimum cross-sectional area of the feed nozzle;
S - minimum cross-sectional area of the thruster;
σ - coefficient of the total pressure recovery within a section from entry into the feed nozzle to entry into the thrust nozzle (energy loss factor):

wo P₀ den Gesamtdruck vor der Schubdüse,
P₀₃ den Gesamtdruck vor der Speisedüse bedeutet.where P₀ is the total pressure in front of the nozzle,
P _{03 means} the total pressure upstream of the feed nozzle.

Die Ausführung der Speise- sowie der Schubdüse mit einem Verhältnis ihrer minimalen Querschnittsflächen, das die Lage des Verdichtungssprunges (Übergang des Arbeitsmittelstromes von der supersonischen Geschwindigkeit zur subsonischen Geschwindigkeit) in der Eintrittszone des axialen Wellenkanals gewährleistet, bedingt die Reduktion von Energieverlusten auf ein Minimum (der Gesamtdruckwiedergewinnfaktor σ strebt gegen Maximum), weil sonst einerseits bei der vom Stromeintritt weit entfernten Lage des Verdichtungssprunges das Strömen des Arbeitsmittels im axialen Kanal mit einer supersonischen Geschwindigkeit bis zum Verdichtungssprung hin mit noch höheren Energieverlusten zusammenhängt. Andererseits führt der Ausdruck des Verdichtungssprunges aus dem axialen Kanal in den Spalt in einem recht weiten Abstand vom stirnseitigen Eingang zur Entstehung von erheblichen Arbeitsmittelverlusten aus dem axialen Wellenkanal durch den Spalt zwischen dem Verdichtungssprung und dem stirnseitigen Eingang hindurch. Am optimalsten ist die Ausführung der erwähnten Düsen mit einem Verhältnis, das von dem theoretischen Wert etwas verschieden ist, der der Größe σ₃ entspricht, die bei der Lage des Verdichtungssprunges unmittelbar im Querschnitt des stirnseitigen Eingangs gilt, d. h.The design of the feed and thrust nozzle with a ratio of their minimum cross-sectional areas, that the location of the compression jump (transition of the flow of working fluid from the supersonic speed to subsonic speed) in the entry zone of the axial shaft channel guaranteed the reduction of energy losses to a minimum (the Total pressure recovery factor σ tends towards maximum), because otherwise on the one hand it is far from entering the electricity distant location of the compression jump the flow of the Tool in the axial channel with a supersonic Speed up to the compression jump with still higher energy losses. On the other hand the expression of the compression leap leads from the axial channel in the gap at a fairly wide distance from the front entrance to the emergence of substantial Loss of working fluid from the axial shaft channel the gap between the compression jump and the front Entrance through. The best is the execution of the mentioned nozzles with a ratio that is slightly different from the theoretical value which corresponds to the size σ₃, the location of the compression jump directly in the cross section of the front At the beginning, d. H.

wo k ein empirischer Faktor ist. Dabei wird die durch die Entstehung eines geringfügigen Arbeitsmittelverlustes bedingte Abnahme des spezifischen Schubes bis zu einer bestimmten Grenze vorwiegend durch eine Erhöhung desselben dank einer Energieverlustreduktion bei dem hierbei vorliegenden Verdichtungssprung kleinerer Intensität kompensiert, weil der supersonische Strahl im Spalt bis zum Querschnitt des stirnseitigen Eingangs des axialen Wellenkanals nicht expandiert und die Geschwindigkeit desselben vor dem im Spalt befindlichen Verdichtungssprung kleiner als seine Geschwindigkeit vor dem im Querschnitt des stirnseitigen Eingangs des axialen Wellenkanals befindlichen Verdichtungssprung ist.where k is an empirical Factor is. This is due to the creation a decrease due to a slight loss of work equipment of the specific thrust to a certain one Border mainly thanks to an increase of the same an energy loss reduction in the present case Compensation jump of lower intensity compensated, because the supersonic beam in the gap up to the cross section of the front entry of the axial shaft channel is not expands and its speed before that in the Gap located compression jump smaller than his Speed in front of the cross section of the front Compression jump located at the entrance of the axial shaft channel is.

Die Ausführung des Austrittsteiles des Zuleitungsstutzens in Gestalt einer Speisedüse gewährleistet gegenüber dem Prototyp auch die Möglichkeit einer Vergrößerung des Spaltes zwischen der Speisedüse und dem stirnseitigen Eingang des axialen Wellenkanals, was geringere Anforderungen an die konstruktive Ausführung der erfindungsgemäßen reaktiven Strahlturbine bedingt und zur Erhöhung ihrer Betriebszuverlässigkeit dank der vollen Vermeidung einer Berührungsmöglichkeit der Speisedüsenöffnung mit der Wellenstirnfläche und eines gegenseitigen Aneinanderfrierens derselben führt, weil bei der Stillsetzung der reaktiven Strahlturbine die Feuchtetropfen durch den Spalt ungehindert ausfließen.The execution of the outlet part of the supply connection guaranteed in the form of a feed nozzle the prototype also the possibility of an enlargement the gap between the feed nozzle and the frontal input of the axial shaft channel, which is less Requirements for the constructive execution of the reactive jet turbine according to the invention and to increase their operational reliability thanks to the full Avoid touching the feed nozzle opening with the wave end face and a mutual Freezing to each other leads because at the dampening drops when the reactive jet turbine is shut down flow freely through the gap.

Zweckmäßigerweise ist die Speisedüse supersonisch ausgeführt.The feed nozzle is expediently supersonic executed.

Die Ausführung der Speisedüse als einer supersonischen Düse, beispielsweise als einer Lavaldüse, gewährleistet eine garantierte Beschleunigung des Arbeitsmittelstromes auf die supersonische Geschwindigkeit noch vor dem stirnseitigen Eingang des axialen Wellenkanals. Wird aber eine konvergente Schalldüse verwendet, so kann dies bei bestimmten Bedingungen (niedrigen überkritischen Druckverhältnissen an der Speisedüse) zu einer vorzeitigen Entstehung des Verdichtungssprunges im Spalt und somit zu erheblichen Arbeitsmittelverlusten führen.The design of the feed nozzle as a supersonic Nozzle, for example as a Laval nozzle, guaranteed a guaranteed acceleration of the flow of work equipment to the supersonic speed the front entry of the axial shaft channel. Becomes but uses a convergent sonic nozzle, so this can under certain conditions (low supercritical Pressure conditions at the feed nozzle) at an early stage Formation of the compression jump in the gap and thus lead to considerable loss of work equipment.

Zur Gewährleistung eines garantierten Eintrittes des Arbeitsmittelstrahls mit dessen gesamten Querschnitt in den axialen Wellenkanal und folglich zur Vermeidung von Arbeitsmittelverlusten unmittelbar aus dem Strahl empfiehlt es sich, daß die Größe des Spaltes zwischen der Speisedüsenöffnung und der Wellenstirnfläche gemäß einer folgenden Beziehung gewählt würde: To guarantee guaranteed entry of the working fluid jet with its entire cross section in the axial shaft channel and consequently to avoid it of working fluid losses directly from the jet it is recommended that the size of the gap between according to the feed nozzle opening and the shaft end face a relationship would be chosen:

wo es bedeutet:
δ - Spalt zwischen der Speisedüsenöffnung und der Wellenstirnfläche;
D₁ - Durchmesser des axialen Wellenkanals;
D₂ - Speisedüsenöffnungsdurchmesser;
γ - Kegelwinkel des Ausgangsteiles der Speisedüse.where it means:
δ - gap between the feed nozzle opening and the shaft end face;
D₁ - diameter of the axial shaft channel;
D₂ - feed nozzle opening diameter;
γ - cone angle of the outlet part of the feed nozzle.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte reaktive Strahlturbine kann in verschiedenen Technikzweigen breit und effektiv angewendet werden. Sie besitzt gegenüber anderen Turbinentypen potentiell hohe Austrittsparameter, was durch eine direkte, innerhalb einer Stufe erfolgende Umformung der verfügbaren Arbeitsmittelenergie in kinetische Energie eines reaktiven Strahls mittels eines dem isentropen maximal nahen thermodynamischen Prozesses und weiter in auf der Welle wirksam werdende mechanische Arbeit bedingt ist. Dabei nimmt mit dem größer werdenden verfügbaren Arbeitsmitteldruck die Effektivität der erfindungsgemäßen Turbine zu, und die Anfangstemperatur des Arbeitsmittels kann sich von niedrigen negativen Temperaturen in der Größenordnung von -60°C und tiefer bis zu hohen positiven Temperaturen von über 1000-1500°C ändern. Die einfache Konstruktion der Turbine beruht auf ihrem einstufigen Aufbau bei beliebigen Arbeitsmitteldrücken und einem einfachen Strömungsteil, der keiner Profilierung bedarf, was ebenfalls geringe Trägheitsmomente des Läufers, d. h. hohe dynamische Turbinenparameter, eine geringe Masse und insgesamt geringe Abmessungen der Turbine sowie eine hohe Betriebszuverlässigkeit derselben sogar beim Arbeiten mit einem feuchten, unvereinigten und eine niedrige Temperatur besitzenden Arbeitsmittel bedingt, was seinerseits durch die Verwendung einer eigentümlichen berührungsfreien gasdynamischen Zuleitungsvorrichtung ermöglicht ist. Diese Vorteile gewährleisten einen effektiven Einsatz der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten reaktiven Strahlturbinen als Kraftelement (Kraftglied) verschiedener Antriebe und Aggregate mit einem Leistungsbereich von einigen W bis MW, in den Steuerungs- und Regelungssystemen, darunter in den Nachlaufsystemen, in den Gasarmaturenantrieben, die mit einem feuchten, verunreinigten Arbeitsgas niedriger Temperatur arbeiten, in den Antrieben von Turbopumpen- und Turbokompressoraggregaten, in den Flugzeuggasturbinentriebwerken u. a.The carried out according to the present invention reactive jet turbine can be used in different branches of technology applied broadly and effectively. she owns potentially high discharge parameters compared to other turbine types, what through a direct, within a stage subsequent transformation of the available working material energy in kinetic energy of a reactive beam one thermodynamic that is as close as possible to the isentropic Process and continue to take effect on the wave mechanical work. It takes with the the increasing available working pressure the effectiveness the turbine of the invention, and the Initial temperature of the work equipment can vary from low negative temperatures on the order of -60 ° C and lower up to high positive temperatures change from over 1000-1500 ° C. The simple construction the turbine is based on its single-stage structure for any Working fluid pressure and a simple flow part, that doesn't need profiling, which is also low moments of inertia of the rotor, d. H. high dynamic Turbine parameters, low mass and overall small dimensions of the turbine as well as high operational reliability the same even when working with one humid, unified and a low temperature owning work equipment conditional on what in turn by the use of a peculiar non-contact Gas dynamic supply device is enabled. These advantages ensure effective use the reactive ones carried out according to the present invention Jet turbines as a force element (force member) various Drives and units with a performance range from a few W to MW, in the control and regulation systems, including in the after-run systems, in the gas valve actuators, which are contaminated with a damp, Working gas working at low temperature in the drives of turbopump and turbo compressor units, in the aircraft gas turbine engines u. a.

Die vorliegende Erfindung wird in der Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels derselben unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen erläutert, in denen es zeigt:The present invention is described in the description a specific embodiment of the same under Explained with reference to the accompanying drawings, in which it shows:

Fig. 1 die gemäß der Erfindung ausgeführte reaktive Strahlturbine, im Querschnitt; Fig. 1, the running according to the invention, reactive turbojet, in cross section;

Fig. 2 axiale Ansicht der reaktiven Strahlturbine von Fig. 1; Fig. 2 axial view of the reactive jet turbine of Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt nach einer Linie III-III von Fig. 2; Fig. 3 is a section along a line III-III of Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt nach einer Linie IV-IV von Fig. 2; Fig. 4 is a section along a line IV-IV of Fig. 2;

Fig. 5 eine Ausführungsform der Schubdüse im vergrößerten Maßstab, im Längsschnitt; Figure 5 shows an embodiment of the thrust nozzle on an enlarged scale, in longitudinal section.

Fig. 6 eine Ansicht VI von Fig. 1 im vergrößerten Maßstab, mit der Darstellung des Strömungsbildes des Arbeitsmittelstroms; FIG. 6 is a view VI of FIG. 1 on an enlarged scale, showing the flow pattern of the working fluid flow;

Fig. 7 Abhängigkeitsdiagramm "spezifischer Schubminimale (kritische) Schubdüsenquerschnittsfläche" bei gleichbleibender minimaler (kritischer) Speisedüsenquerschnittsfläche; Fig. 7 is a function diagram "specific thrust minimum (critical) thrust nozzle cross-sectional area" (critical) at a constant minimum feed nozzle cross-sectional area;

Fig. 8 eine Ausführungsform eines kombinierten Gasarmaturenantriebes unter Einsatz einer reaktiven Strahlturbine, ausgeführt gemäß der Erfindung, im Längsschnitt. Fig. 8 shows an embodiment of a combined gas valve drive using a reactive jet turbine, carried out according to the invention, in longitudinal section.

Die erfindungsgemäße ausgeführte reaktive Strahlturbine enthält einen Läufer 1 (Fig. 1), der in Gestalt einer Welle 2 mit zwei voneinander isolierten axialen Kanälen 3 und 4 ausgeführt ist. Auf jeder Seite der Welle 2 sind stirnseitige Eingänge 5 und 6 der jeweiligen axialen Kanäle 3 und 4 vorhanden. Die Welle 2 ist in Lagerungen 7 (beispielsweise Wälz- bzw. Gleitlagern) aufgenommen und besitzt ein Antriebsrad 8 zur Übertragung des Drehmomentes auf ein (nicht mitabgebildetes) Ausführungsorgan.The reactive jet turbine designed according to the invention contains a rotor 1 ( FIG. 1) which is designed in the form of a shaft 2 with two axial channels 3 and 4 which are insulated from one another. On each side of the shaft 2 there are frontal inputs 5 and 6 of the respective axial channels 3 and 4 . The shaft 2 is accommodated in bearings 7 (for example roller or slide bearings) and has a drive wheel 8 for transmitting the torque to an execution member (not shown).

Auf der Welle 2 sind mit Hilfe einer Buchse 9 fliegend und radial entgegengesetzt zwei Stutzen 10 und 11 mit jeweiligen Schubdüsen 12 und 13 an ihren freien Enden angebracht. Die Schubdüsen 12 und 13 sind nach einer Seite hin quer zur Längsachse der Welle 2 zur Erzeugung eines Drehmomentes auf der Welle 2 durch die wirkende Schubkraft ausgerichtet.On the shaft 2 , two sockets 10 and 11 with respective thrust nozzles 12 and 13 are attached at their free ends with the aid of a bushing 9, flying and radially opposite. The thrust nozzles 12 and 13 are aligned on one side transversely to the longitudinal axis of the shaft 2 to generate a torque on the shaft 2 by the acting thrust force.

Die Schubdüsen 12 und 13 sind über in den Stutzen 10 und 11 vorhandene jeweilige Hohlräume 14 und 15 mit den jeweiligen axialen Kanälen 3 und 4 und deren stirnseitigen Eingängen 5 und 6 unter Erzeugung von ununterbrochenen Gasströmungswegen in Verbindung gesetzt.The thrust nozzles 12 and 13 are connected to the respective axial channels 3 and 4 and their front entrances 5 and 6 via the respective cavities 14 and 15 present in the connecting pieces 10 and 11 to produce uninterrupted gas flow paths.

Zur Herabsetzung von hydraulischen Verlusten sind die Stutzen 10 und 11 (Fig. 2) krummlinig ausgeführt, und zur Reduzierung des aerodynamischen Widerstandes beim Umlauf des Läufers 1 (Fig. 1) sowie zur Erhöhung der Konstruktionssteifigkeit ist jeder Stutzen 10 und 11 mit einer Kappe 16 (Fig. 2) verdeckt. Darüber hinaus können die Stutzen 10 und 11 zur Verringerung des aerodynamischen Widerstandes ohne Kappen, dafür aber mit einem stromlinienförmig ausgebildeten Querschnitt derselben, beispielsweise einem ellipsenförmigen Querschnitt, ausgeführt sein, wie dies in Fig. 3 veranschaulicht ist. Ist der Querschnitt der Zuleitungsstutzen 10 und 11 ringförmig ausgebildet (Fig. 2), so ist die Kappe 16 zum Erreichen des gestreckten Zieles in ihrem Querschnitt krummlinig ausgebildet, so daß sie mit dem Stutzen 10, 11 einen stromlinienförmigen, beispielsweise einen in Fig. 4 dargestellten ellipsenförmigen Querschnitt bildet.To reduce hydraulic losses, the sockets 10 and 11 ( FIG. 2) are curved, and to reduce the aerodynamic drag when the rotor 1 rotates ( FIG. 1) and to increase the structural rigidity, each socket 10 and 11 is provided with a cap 16 ( Fig. 2) covered. In addition, the nozzles 10 and 11 can be designed to reduce the aerodynamic drag without caps, but instead with a streamlined cross-section thereof, for example an elliptical cross-section, as illustrated in FIG. 3. If the cross-section of the supply connection pieces 10 and 11 is ring-shaped ( FIG. 2), the cap 16 is of curvilinear cross-section in order to achieve the elongated target, so that it has a streamlined, for example one in FIG. 4, connection piece 10 , 11 illustrated elliptical cross-section forms.

Zur Gewährleistung eines raschen Austausches von Schubdüsen 12 (Fig. 5) und 13 bei deren beschleunigtem Verschleiß bzw. bei einem notwendig gewordenen Umstellen der reaktiven Strahlturbine auf andere Parameter können die Schubdüsen 12 und 13 in Gestalt von schnellabnehmbaren Buchsen ausgeführt sein, die in einem besonderen Sitz befestigt sind, der am freien Ende des jeweiligen Stutzens 10 bzw. 11 ausgebohrt ist.To ensure a quick exchange of thrust nozzles 12 ( Fig. 5) and 13 in the case of their accelerated wear or when the reactive jet turbine has to be converted to other parameters, the thrust nozzles 12 and 13 can be designed in the form of quick-detachable bushes, which are in a special Are fixed seat, which is drilled at the free end of the respective nozzle 10 or 11 .

Vor den stirnseitigen Eingängen 5 und 6 (Fig. 1) sind gleichachsig mit den axialen Kanälen 3 und 4 zwei jeweilige gasdynamische Zuleitungsvorrichtungen in Gestalt von jeweiligen Zuleitungsstutzen 10 und 11 angeordnet. Die Austrittstelle der Zuleitungsstutzen 10 und 11 sind in Gestalt von jeweiligen Speisedüsen 19 und 20 ausgeführt. Die Speisedüsen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als supersonischen Lavaldüsen ausgebildet. Zwischen Öffnungen 21 (Fig. 6) und 22 der jeweiligen Speisedüsen 19 und 20 und den entsprechenden stirnseitigen Eingängen 5 und 6 sind Spalte δ gebildet. Die Größe eines Spaltes δ ist gemäß einer folgenden Beziehung gewählt:In front of the front entrances 5 and 6 ( FIG. 1), two respective gas-dynamic supply devices in the form of respective supply connections 10 and 11 are arranged coaxially with the axial channels 3 and 4 . The outlet point of the feed pipe 10 and 11 are designed in the form of respective feed nozzles 19 and 20 . In the present exemplary embodiment, the feed nozzles are designed as supersonic Laval nozzles. Gaps δ are formed between openings 21 ( FIG. 6) and 22 of the respective feed nozzles 19 and 20 and the corresponding end entrances 5 and 6 . The size of a gap δ is chosen according to the following relationship:

wo es bedeutet:
D₁ - Durchmesser des axialen Kanals 3, 4 in der Welle 2;
D₂ - Durchmesser der Öffnung 21, 22 der Speisedüse 19, 20;
γ - Kegelwinkel des Austrittsteiles der Speisedüse 19, 20.where it means:
D₁ - diameter of the axial channel 3 , 4 in the shaft 2 ;
D₂ - diameter of the opening 21 , 22 of the feed nozzle 19 , 20 ;
γ - cone angle of the outlet part of the feed nozzle 19 , 20 .

Die reaktive Strahlturbine arbeitet auf die folgende Weise.The reactive jet turbine works on the following Wise.

Zur Herbeiführung des Umlaufs des Läufers 1 (Fig. 1) im Uhrzeigersinn (beim Anblick seitens des freien Endes des Läufers 1, d. h. links in der Zeichnung) wird das Arbeitsmittel (komprimiertes Gas, Luft bzw. von einem Gaserzeuger kommendes Gas) dem Zuleitungsstutzen 17 der gasdynamischen Vorrichtung unter Druck zugeführt, wo es in einer Schallspeisedüse bzw. einer supersonischen Speisedüse 19 auf die Schallgeschwindigkeit bzw. eine supersonische Geschwindigkeit beschleunigt wird (dies findet bei einem überkritischen Druckgefälle an der Speisedüse 19 statt). Dabei bildet sich hinter der Öffnung 21 (Fig. 6) der Speisedüse 19 im axialen Spalt δ ein stabiler supersonischer Strahl mit harten (undurchdringbaren) Grenzkonturen desselben aus. Der supersonische Strahl strömt nach dem Durchlauf durch den axialen Spalt δ über den stirnseitigen Eingang 5 in den axialen Kanal 3 der Welle 2 ein. Wenn nun die Bedingung eingehalten wird, daß der Strahl im gesamten Querschnitt des axialen Kanals 3 in denselben einströmt (d. h. die Strahlgrenze die Innenfläche des axialen Kanals 3 bzw. die Querschnittskontur des stirnseitigen Eingangs 5 berührt), so findet ein gasdynamisches Absperren des axialen Kanals 3 durch den supersonischen Strom statt. Das erwähnte Absperren beruht darauf, daß sich schwache Störungen (Druckwelle) mit der Schallgeschwindigkeit ausbreiten und gegen den Überschallstrom nicht wandern können. Demgemäß sind die Arbeitsmittelverluste aus dem axialen Kanal 3 in den Spalt δ dank dem vorhandenen Druckgefälle praktisch vollkommen ausgeschlossen. Zur Gewährleistung einer supersonischen Eintrittsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels in den axialen Kanal 3 im gesamten Querschnitt desselben und höchstmöglichen Vergrößerung des Spaltes δ muß die Form des supersonischen Strahles mit einem solchen Austrittsregime des Arbeitsmittels aus der Speisedüse 19 in Einklang stehen, bei dem der Austritt mit einer unvollständigen Arbeitsmittelexpansion erfolgt (in Fig. 6 ist die Strahlgrenze durch zwei Kurven angedeutet), wobei also der Druck an der Öffnung 21 der Speisedüse 19 größer als der Umgebungsdruck ist, oder aber sie muß einem dem rechnerisch ermittelten Austrittsregime nahen Betrieb entsprechen (in Fig. 6 ist die Strahlgrenze durch punktierte Geraden angedeutet), wobei der Druck an der Öffnung 21 der Speisedüse 19 dem Umgebungsdruck gleich bzw. nahe ist. Das erforderliche Regime des Strahlaustritts aus der Speisedüse 19 wird durch einen konkreten Verbreiterungsbetrag des supersonischen Teiles der Speisedüse 19 (das Verhältnis der Öffnungsfläche 21 der Speisedüse 19 zur minimalen Querschnittsfläche) bei vorgeschriebenen Parametern des vor der Speisedüse 19 vorhandenen Arbeitsmittels gewährleistet. Die Bedingung über das Einströmen des Strahles in den stirnseitigen Eingang 5 in dessen gesamten Querschnitt, nicht aber auf der teilweisen Querschnittsfläche, und die dadurch bedingte Beseitigung von etwaigen Verlusten aus der peripheren Strahlzone ist durch eine maximal mögliche Vergrößerung des Spaltes δ_max vorgegeben, d. h. die Größe des Spaltes δ muß einer folgenden Ungleichung genügen:In order to bring about the circulation of the rotor 1 ( FIG. 1) in a clockwise direction (when viewed from the free end of the rotor 1 , ie on the left in the drawing), the working medium (compressed gas, air or gas coming from a gas generator) is supplied to the supply connection 17 fed to the gas dynamic device under pressure, where it is accelerated to the speed of sound or a supersonic speed in a sound feed nozzle or a supersonic feed nozzle 19 (this takes place in the case of a supercritical pressure drop at the feed nozzle 19 ). In this case, behind the opening 21 ( FIG. 6) of the feed nozzle 19, a stable supersonic jet with hard (impenetrable) boundary contours is formed in the axial gap δ. After passing through the axial gap δ, the supersonic beam flows into the axial channel 3 of the shaft 2 via the frontal entrance 5 . If the condition is now met that the beam flows into the entire cross-section of the axial channel 3 (ie the beam boundary touches the inner surface of the axial channel 3 or the cross-sectional contour of the front entry 5 ), then a gas-dynamic shut-off of the axial channel 3 takes place through the supersonic current instead. The aforementioned shut-off is based on the fact that weak disturbances (pressure wave) spread with the speed of sound and cannot move against the supersonic current. Accordingly, the loss of working fluid from the axial channel 3 into the gap δ is practically completely eliminated thanks to the pressure drop present. To ensure a supersonic rate of entry of the working medium into the axial channel 3 in the entire cross section of the same and the greatest possible enlargement of the gap δ, the shape of the supersonic jet must be in line with such an exit regime of the working medium from the feed nozzle 19 , in which the exit with an incomplete expansion of the working medium 6 (the jet boundary is indicated by two curves in FIG. 6), so that the pressure at the opening 21 of the feed nozzle 19 is greater than the ambient pressure, or else it must correspond to an operation close to the arithmetically determined exit regime (in FIG. 6) the jet boundary is indicated by dotted straight lines), the pressure at the opening 21 of the feed nozzle 19 being equal or close to the ambient pressure. The required regime of the jet exit from the feed nozzle 19 is ensured by a specific widening amount of the supersonic part of the feed nozzle 19 (the ratio of the opening area 21 of the feed nozzle 19 to the minimum cross-sectional area) with prescribed parameters of the working medium present in front of the feed nozzle 19 . The condition regarding the inflow of the jet into the frontal entrance 5 in its entire cross-section, but not on the partial cross-sectional area, and the consequent elimination of any losses from the peripheral jet zone is predetermined by a maximum possible enlargement of the gap δ _max , ie the The size of the gap δ must satisfy the following inequality:

die sich aus den für den supersonischen Strahl vorgenommenen Konstruktionen ergibt. Nach dem Eintritt des supersonischen Strahles über den stirnseitigen Eingang 5 in den axialen Kanal 3 der Welle 2 kommt je nach dem Verhältnis der minimalen (kritischen) Querschnittsflächen der Speisedüse 19 und der Schubdüse 12 (Fig. 5), das der geltenden Bedingung über den Eintritt des supersonischen Strahles in den axialen Kanal 3 (Fig. 6), d. h. der Beziehungresulting from the constructions made for the supersonic beam. After the entry of the supersonic jet via the front entry 5 into the axial channel 3 of the shaft 2 , depending on the ratio of the minimum (critical) cross-sectional areas of the feed nozzle 19 and the thrust nozzle 12 ( FIG. 5), the current condition about the entry of the supersonic beam in the axial channel 3 ( Fig. 6), ie the relationship

genügt, wo es bedeutet:
S₃ - minimale (kritische) Querschnittsfläche der Speisedüse 19;
S - minimale (kritische) Querschnittsfläche der Speisedüse 12 (Fig. 5);
D₃ - Durchmesser der minimalen (kritischen) Querschnittsfläche der Speisedüse 19 (Fig. 6);
D - Durchmesser der minimalen (kritischen) Querschnittsfläche der Speisedüse 12 (Fig. 5);
σ - Gesamtdruckwiedergewinnfaktor,
ein Verdichtungssprung entweder unmittelbar in der Zone des stirnseitigen Einganges 5 (Fig. 6) des axialen Kanals 3 bei =σ₃ oder aber in einem bestimmten Abstand vom stirnseitigen Eingang 5 des axialen Kanals 3 bei <σ₃ auf. Beim Verdichtungssprung findet der Übergang des Arbeitsmittelstromes von der supersonischen zur subsonischen Geschwindigkeit statt. In Fig. 6 sind die Verdichtungssprünge durch vertikale Wellenlinien angedeutet, das Strömungsregime ist dabei durch einen Geschwindigkeitsfaktor λ gekennzeichnet. Der Geschwindigkeitsfaktor λ stellt das Verhältnis der Stromgeschwindigkeit an der jeweiligen Stelle zur Schallgeschwindigkeit im kritischen Querschnitt dar.suffice where it means:
S₃ - minimum (critical) cross-sectional area of the feed nozzle 19 ;
S - minimum (critical) cross-sectional area of the feed nozzle 12 ( Fig. 5);
D₃ - diameter of the minimum (critical) cross-sectional area of the feed nozzle 19 ( Fig. 6);
D - diameter of the minimum (critical) cross-sectional area of the feed nozzle 12 ( FIG. 5);
σ - total pressure recovery factor,
a compression jump either directly in the zone of the front entrance 5 ( Fig. 6) of the axial channel 3 at = σ₃ or at a certain distance from the front entrance 5 of the axial channel 3 at <σ₃. In the compression leap, the flow of the working fluid takes place from the supersonic to the subsonic speed. The compression jumps are indicated in FIG. 6 by vertical wavy lines, the flow regime being characterized by a speed factor λ. The speed factor λ represents the ratio of the current speed at the respective point to the speed of sound in the critical cross-section.

Die Arbeitseffektivität der reaktiven Strahlturbine ist durch den Beitrag des spezifischen Schubes (Fig. 7) je nach der Größe der minimalen Querschnittsfläche S der Schubdüse 12 (Fig. 5) bei gleichbleibender minimaler Querschnittsfläche der Speisedüse 19 (Fig. 6) charakterisiert. Im in Fig. 7 dargestellten Diagramm entspricht der Punkt 1 der Bedingung =σ₃ sowie der Lage des Verdichtungssprunges (Fig. 6) unmittelbar im Querschnitt des stirnseitigen Einganges 5 (λ₁₁<1, λ₁₂<1). Im in Fig. 7 dargestellten Diagramm entspricht der Punkt 2 der reduzierten Querschnittsfläche der Schubdüse 12 (Fig. 5) gemäß der Beziehung =k σ₃, wo k ein empirischer Koeffizient K=1-2 ist. Der erwähnte Punkt 2 entspricht einem maximalen Betrag des spezifischen Schubes =_max, bei dem der Verdichtungssprung (Fig. 6) in einem geringen Abstand vom stirnseitigen Eingang 5 in der zur Strahlrichtung entgegengesetzten Richtung, d. h. unmittelbar im Spalt δ (λ₂₁<1, λ₂₂<1) liegt, wobei λ₂₁<λ₁₁. Bei dieser Verdichtungssprunglage findet ein nur geringfügiger Arbeitsmittelverlust in den Spalt zwischen dem Verdichtungssprung und dem stirnseitigen Eingang 5 statt, aber dank der reduzierten Verdichtungssprungintensität (λ₂₁<λ₁₁) erreicht der spezifische Schub p seinen maximalen Wert, d. h. =P_max. Die weitere Reduzierung der Querschnittsfläche der Schubdüse 12 (Fig. 5) führt zu einem immer größeren Abwandern des Verdichtungssprunges, einem stark anwachsenden Arbeitsmittelverlust und somit zur Verminderung des spezifischen Schubes (Zone A in Fig. 7).The working effectiveness of the reactive jet turbine is characterized by the contribution of the specific thrust ( FIG. 7) depending on the size of the minimum cross-sectional area S of the thrust nozzle 12 ( FIG. 5) while the minimum cross-sectional area of the feed nozzle 19 ( FIG. 6) remains the same. In the diagram shown in Fig. 7, the point 1 corresponds to the condition = σ₃ and the location of the compression jump ( Fig. 6) directly in the cross section of the front entrance 5 (λ₁₁ <1, λ₁₂ <1). In the diagram shown in Fig. 7, point 2 corresponds to the reduced cross-sectional area of the thrust nozzle 12 ( Fig. 5) according to the relationship = k σ₃, where k is an empirical coefficient K = 1-2. The point 2 mentioned corresponds to a maximum amount of the specific thrust = _max , at which the compression jump ( Fig. 6) at a short distance from the front entrance 5 in the opposite direction to the beam direction, ie directly in the gap δ (λ₂₁ <1, λ₂₂ < 1) lies, where λ₂₁ <λ₁₁. With this compression jump position there is only a slight loss of working fluid in the gap between the compression jump and the front entry 5 , but thanks to the reduced compression jump intensity (λ₂₁ <λ₁₁) the specific thrust p reaches its maximum value, ie = P _max . The further reduction in the cross-sectional area of the thrust nozzle 12 ( FIG. 5) leads to an ever greater migration of the compression jump, a strongly increasing loss of working fluid and thus to a reduction in the specific thrust (zone A in FIG. 7).

Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche S der Schubdüse (Fig. 5) bis zu den Werten, die beträchtlich größer als der theoretische Betrag gemäß Punkt 1 sind (im in Fig. 7 dargestellten Diagramm ist dies am Punkt 3 illustriert), führt zur Verlagerung des Verdichtungssprunges im Strom ins Innere des axialen Kanals 3 hin (Fig. 6) (λ₃₁<1, λ₃₂<1, wobei λ₃₁<λ₁₁). Damit nimmt der spezifische Schub (Zone B) infolge von Energieverlusten bei der Fortbewegung des supersonischen Stromes im axialen Kanal 3 (Fig. 6) bis hin zum Verdichtungssprung ab, ungeachtet dessen, daß die Intensität des Verdichtungssprunges dabei abnimmt (λ₃₁<λ₁₁). Demnach ist das Verhältnis der minimalen Querschnittsflächen der Speisedüse 19 und der Schubdüse 12 (Fig. 5), die den Werten in der Zone des Punktes 2 (Fig. 7) entsprechen, nahe dem optimalen und bedingt die Lage des Verdichtungssprunges in der Eintrittszone des axialen Kanals 3 (Fig. 6).An increase in the cross-sectional area S of the thrust nozzle ( FIG. 5) up to the values which are considerably larger than the theoretical amount according to point 1 (this is illustrated at point 3 in the diagram shown in FIG. 7) leads to a shift in the compression jump in Current into the interior of the axial channel 3 ( Fig. 6) (λ₃₁ <1, λ₃₂ <1, where λ₃₁ <λ₁₁). The specific thrust (zone B) thus decreases as a result of energy losses during the movement of the supersonic current in the axial channel 3 ( FIG. 6) up to the compression jump, despite the fact that the intensity of the compression jump decreases (λ₃₁ <λ₁₁). Accordingly, the ratio of the minimum cross-sectional areas of the feed nozzle 19 and the thrust nozzle 12 ( FIG. 5), which correspond to the values in the zone of point 2 ( FIG. 7), is close to the optimum and determines the position of the compression jump in the entry zone of the axial Channel 3 ( Fig. 6).

Nach dem Verdichtungssprung pflanzt sich der Arbeitsmittelstrom mit einer geringen subsonischen Geschwindigkeit im axialen Kanal 3 durch den Hohlraum 14 (Fig. 1) des Stutzens 10 hindurch bis zur Schubdüse 12 fort. In der Schubdüse 12 wird der Arbeitsmittelstrom erneut beschleunigt und in die Umgebung ausgestoßen, d. h. es findet dabei die Umformung der potentiellen Energie des Arbeitsmittels in kinetische Energie eines reaktiven Strahles unger Erzeugung eines Schubes an der Schubdüse 12 statt.After the compression jump, the flow of working medium propagates at a low subsonic speed in the axial channel 3 through the cavity 14 ( FIG. 1) of the connector 10 to the thrust nozzle 12 . In the thrust nozzle 12 , the flow of working medium is accelerated again and expelled into the environment, ie the potential energy of the working medium is converted into kinetic energy of a reactive jet without generating a thrust at the thrust nozzle 12 .

Die Schubkraft an der Schubdüse 12 erzeugt dank dem vorhandenen Kraftarm des Stutzens 10 ein im Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment an der Welle 2. Das Drehmoment wird durch das Antriebsrad 8 auf das Ausführungsorgan übertragen. Dabei läuft der Läufer 1 in den Lagerungen 7 um und verrichtet mechanische Arbeit. The thrust force on the thrust nozzle 12 generates a clockwise torque on the shaft 2 thanks to the existing force arm of the nozzle 10 . The torque is transmitted through the drive wheel 8 to the execution member. The rotor 1 rotates in the bearings 7 and does mechanical work.

Zur Übertragung des Drehmomentes auf das Ausführungsorgan in der umgekehrten Richtung (gegen den Uhrzeigersinn), d. h. zur Reversierung, wird das Arbeitsmittel der entgegengesetzten Zuleitungsvorrichtung, d. h. dem Zuleitungsstutzen 18, beim Unterbinden der Zuführung zum Zuleitungsstutzen 17 zugeführt. Die Strömung des Arbeitsmittels findet ähnlich dem vorbeschriebenen Fall statt, und das Arbeitsmittel strömt, nachdem es die Speisedüse 20 passiert hat, in Form eines Strahles über den stirnseitigen Eingang 6 in den axialen Kanal 4 der Welle 2 ein, wonach es über den Hohlraum 15 des Stutzens 11 zur Schubdüse 13 gelangt, wo es beschleunigt und unter Erzeugung eines Schubes nach außen ausgestoßen wird. Der an der Schubdüse 13 erzeugte Schub erzeugt dank dem vorhandenen Kraftarm des Stutzens 11 ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes Drehmoment an der Welle 2. Das Drehmoment wird mit Hilfe des Antriebsrades 8 auf das Ausführungsorgan übertragen.To transmit the torque to the execution member in the opposite direction (counterclockwise), ie for reversing, the working medium is fed to the opposite feed device, ie the feed pipe 18 , when the feed to the feed pipe 17 is prevented. The flow of the working medium takes place similarly to the case described above, and the working medium flows, after it has passed through the feed nozzle 20 , in the form of a jet via the end entrance 6 into the axial channel 4 of the shaft 2 , after which it flows through the cavity 15 of the Stub 11 arrives at the thrust nozzle 13 , where it is accelerated and ejected to the outside to produce a thrust. The thrust generated at the thrust nozzle 13 generates a counterclockwise torque on the shaft 2 thanks to the existing force arm of the nozzle 11 . The torque is transmitted to the execution member by means of the drive wheel 8 .

In jenen reaktiven Strahlturbinen, in denen eine Feinregelung erforderlich ist (so beispielsweise in den Nachlaufsteuerungen), kann das Arbeitsmittel gleichzeitig den beiden Zuleitungsstutzen 17 und 18 zugeführt werden, doch aber mit einem verschiedenen Druck von denselben entsprechend der Regelabweichung und der jeweils vorgegebenen Regelgröße.In those reactive jet turbines in which a fine control is required (for example in the wake controls), the working medium can be fed to the two feed pipes 17 and 18 at the same time, but with a different pressure from them according to the control deviation and the respectively specified control variable.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte reaktive Strahlturbine findet immer breitere Anwendung in den kombinierten Druckluft- und Gasantrieben von Gasarmaturen, beispielsweise in den Antrieben, die der Maßreihe von Kugelnähnen mit Nennweiten von 300-1400 mm für einen Nenndruck von 8 MPa entsprechen. In Fig. 8 ist ein solcher kombinierter Antrieb dargestellt, in dessen Gehäuse 23 eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführte reversierbare reaktive Strahlturbine angeordnet ist. Die Zuleitungsvorrichtung 17 dieser Turbine ist an einem Deckel 24 des Gehäuses 23, die Zuleitungsvorrichtung 18 aber an einem Deckel 25 angebracht. Eine der Lagerungen 7 der Welle 2 der reaktiven Strahlturbine ist an einer Trennwand 26 angebracht, die den Innenraum des Gehäuses 23 in zwei Hohlräume - einen Hohlraum 27 und einen Hohlraum 28 - unterteilt. Im Hohlraum 27 befinden sich die Stutzen 10 und 11 mit den jeweiligen Schubdüsen 12 und 13. Im Hohlraum 28 befindet sich ein Getriebe 29 mit einer Abtriebswelle 30 und Zwischenwellen 31 und 32. Die Lagerungen der Wellen 30, 31 und 32 des Getriebes 29 in Gestalt von hermetisch abgeschlossenen Lagern sind an der Trennwand 26 und am Deckel 25 angebracht, der den Deckel des Getriebes 29 darstellt. An demselben Deckel 25 ist die zweite Zuleitungsvorrichtung 18 sowie die zweite Lagerung 7 der Welle 2 angebracht. Die Trennwand 26 trennt die Hohlräume 27 und 28 hermetisch voneinander, so daß kein Eindringen des abgearbeiteten Arbeitsmittels in das Getriebe 29 möglich ist.The reactive jet turbine designed according to the present invention is being used ever more widely in the combined compressed air and gas drives of gas fittings, for example in the drives which correspond to the dimensional series of ball valves with nominal widths of 300-1400 mm for a nominal pressure of 8 MPa. FIG. 8 shows such a combined drive, in the housing 23 of which a reversible reactive jet turbine designed according to the present invention is arranged. The feed device 17 of this turbine is attached to a cover 24 of the housing 23 , but the feed device 18 is attached to a cover 25 . One of the bearings 7 of the shaft 2 of the reactive jet turbine is attached to a partition 26 which divides the interior of the housing 23 into two cavities - a cavity 27 and a cavity 28 . The nozzles 10 and 11 with the respective thrust nozzles 12 and 13 are located in the cavity 27 . A gear 29 with an output shaft 30 and intermediate shafts 31 and 32 is located in the cavity 28 . The bearings of the shafts 30 , 31 and 32 of the gear 29 in the form of hermetically sealed bearings are attached to the partition wall 26 and to the cover 25 , which represents the cover of the gear 29 . The second feed device 18 and the second bearing 7 of the shaft 2 are attached to the same cover 25 . The partition wall 26 hermetically separates the cavities 27 and 28 from one another, so that penetration of the processed working medium into the gear 29 is not possible.

Als Antriebsrad des Getriebes 29 wird das Antriebsrad 8 der Welle 2 der reaktiven Strahlturbine verwendet. Dieses Antriebsrad 8 liegt zwischen den Lagerungen 7 der Welle 2 und befindet sich im Hohlraum 28. Am Gehäuse 23 ist eine Auspuffkammer 33 angebracht, deren Innenraum 34 mittels Fenstern 35 in der Trennwand 26 mit dem Hohlraum 27 in Verbindung steht.The drive wheel 8 of the shaft 2 of the reactive jet turbine is used as the drive wheel of the transmission 29 . This drive wheel 8 lies between the bearings 7 of the shaft 2 and is located in the cavity 28 . An exhaust chamber 33 is attached to the housing 23 , the interior 34 of which is connected to the cavity 27 by means of windows 35 in the partition 26 .

Der Antrieb ist mit einer mechanischen von Hand betätigten Doubliervorrichtung in Gestalt einer Blockiereinrichtung 36 mit einem Handrad 37 ausgestattet, die das Handrad 37 bei Bedarf (bei manuellem Betrieb) mit der Abtriebswelle 30 des Getriebes 29 verbindet und dieselben bei der Druckbeaufschlagung der Turbine automatisch voneinander löst.The drive is equipped with a mechanical, manually operated doubling device in the form of a blocking device 36 with a handwheel 37 , which connects the handwheel 37 to the output shaft 30 of the transmission 29 when required (in manual operation) and automatically separates them from each other when the turbine is pressurized .

Dieser Antrieb arbeitet auf die folgende Weise.This drive works in the following way.

Beim Zuführen von Gas in die Turbine auf eine der Zuleitungsvorrichtungen 17 bzw. 18 dreht sich die Welle 2 der Turbine in der jeweiligen Richtung um. Dabei wird das Drehmoment von der Welle 2 über das Antriebsrad 8 und das Getriebe 29 auf die Abtriebswelle 30 desselben übertragen, das dann entweder unmittelbar auf das Ausführungsorgan der Absperrarmatur oder über ein mit einem Spindel-Mutter- Trieb ausgestattetes Kulissendrehwerk (in der Zeichnung nicht abgebildet) des Antriebes auf dasselbe übertragen wird. Ist kein Druck des Arbeitsmittels wirkend, so ist die Steuerung des Ausführungsorgans der Absperrarmatur von Hand mittels des Handrades 37 möglich, das mittels der Blockiereinrichtung 36 zwangsweise mit der Abtriebswelle 30 des Getriebes 29 gekoppelt wird. Zur Sicherung einer gefahrlosen Arbeit löst beim Zuführen des Arbeitsmittels in die reaktive Strahlturbine die Blockiereinrichtung 36 unter der Einwirkung des vom Arbeitsmittel ausgeübten Druckes das Handrad 37 von der Abtriebswelle 30 automatisch los. Beim Betrieb der reaktiven Strahlturbine gelangt das aus den Schubdüsen 12 bzw. 13 ausgestoßene abgearbeitete Arbeitsmittel durch die Fenster 35 in der Trennwand 26 in den Innenraum 34 der Auspuffkammer 33 und wird dann entweder nach außen bzw. in einen (nicht mitabgebildeten) Sammelbehälter abgeleitet.When gas is fed into the turbine onto one of the feed devices 17 or 18 , the shaft 2 of the turbine rotates in the respective direction. The torque is transmitted from the shaft 2 via the drive wheel 8 and the gear 29 to the output shaft 30 of the same, which then either directly to the execution member of the shut-off valve or via a linkage mechanism equipped with a spindle-nut drive (not shown in the drawing) ) of the drive is transferred to the same. If there is no pressure of the working medium, then the control of the execution element of the shut-off valve by hand is possible by means of the handwheel 37 , which is forcibly coupled to the output shaft 30 of the transmission 29 by means of the blocking device 36 . To ensure safe work, when the working medium is fed into the reactive jet turbine, the blocking device 36 automatically releases the handwheel 37 from the output shaft 30 under the influence of the pressure exerted by the working medium. During operation of the reactive jet turbine, the processed working fluid ejected from the thrust nozzles 12 or 13 passes through the windows 35 in the partition wall 26 into the interior 34 of the exhaust chamber 33 and is then either discharged to the outside or into a collecting container (not shown).

Claims

1. Reactive jet turbine, which has a rotor ( 1 ), which is designed in the form of a shaft ( 2 ) having at least one axial channel ( 3 ), on which at least one connecting piece ( 10 ) is mounted, which has a thrust nozzle at its free end ( 12 ), which is connected to an end entry ( 5 ) of an axial channel ( 3 ) to produce an uninterrupted gas flow path, and contains at least one gas dynamic supply device in the form of a supply connection piece ( 17 ) which is coaxial with the shaft ( 2 ) with a gap (δ) in relation to the end face thereof, characterized in that the outlet part of the feed connector ( 17 ) is in the form of a feed nozzle ( 19 ), the minimum cross-sectional area (S₃) smaller than the minimum cross-sectional area (S ) of the thrust nozzle ( 12 ) and in relation to the same, which is the position of the compression jump in the entry zone of the axial channel ( 3 ) of the shaft ( 2 ) guaranteed.

2. Reactive jet turbine according to claim 1, characterized in that the feed nozzle ( 19 ) is designed as a supersonic nozzle.

3. Reactive jet turbine according to claim 1, characterized in that the size of the gap (δ) between an opening ( 21 ) of the feed nozzle ( 19 ) and the end face of the shaft ( 2 ) is selected according to the following relationship: in which mean:
δ - gap between the feed nozzle opening and the shaft end face,
D₁ - diameter of the axial shaft channel;
D₂ - diameter of the feed nozzle opening;
γ - cone angle of the outlet part of the feed nozzle.