DE401282C - Brennkraftturbine mit Verdichter - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN
AM 30. AUGUST 1924

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

- Jlft 401282 KLASSE 46 f GRUPPE

(D 425961] 46f)

Leon Dufour in Genf, Schweiz.

Brennkraftturbine mit Verdichter.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 21. Oktober 1922 ab.

Für diese Anmeldung ist gemäß dem Unionsvertrage vom 2. Juni 1911 die Priorität auf Grund der Anmeldung in der Schweiz vom 4. November 192t beansprucht.

Es ist bereits die Verwendung hohler Schaufeln für Brennkraftturbinen vorgeschlagen worden und von Laufrädern, die sowohl als Krafträder als auch als Räder eines umlaufenden Verdichters arbeiten. Bei diesen bekannten Turbinen wird die aus dem Diffusor einer Stufe austretende kalte Luft vor ihrem Eintritt in die nächste Stufe gezwungen, durch das Innere feststehender, ebenfalls hohler Leitschaufeln hindurchzutreten, welche dazu dienen, die heißen \o

Gase von einem Rad zum andern zu leiten. Diese Anordnung bedingt, daß die Leitschaufeln für die Heißgase, die einzig durch den erwähnten Innenumlauf der Luft gekühlt werden, eine ungenügende Abkühlung erfahren und außerstande sind, die dauernde Beaufschlagung durch die heißen Gase auszuhalten. Es erscheint daher ausgeschlossen, daß derartigeTurbinen als Gleichdruckturbinen gebaut werden können; ihr Gebrauch wird vielmehr auf Explosionsturbinen beschränkt sein, bei denen nach jeder Explosion Kühlluft durch den Heißgaskanal oder sogar durch besondere zusätzliche Kanäle hindurchgetrieben werden muß, welche Maßnahme aber einen guten thermischen Nutzeffekt der Turbine nicht zuläßt. Weiterhin ist zu beachten, daß notwendigerweise der lichte Querschnitt der Leitschaufeln ein kleiner ist und der aus dem Diffusor austretenden Luft nur einen ungenügenden Durchlaß gewährt, wodurch bedeutende Druckverluste entstehen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile abzuhelfen. Gemäß der Erfindung wird in einer Brennkraftturbine mit mehreren Druckstufen, deren Räder hohle Schaufeln aufweisen und sowohl als Krafträder wie auch als Räder eines umlaufenden Verdichters arbeiten können, die aus einem Diffusor austretende und nach der Mitte des folgenden Rades gelangende Luft durch große Kanäle oder Kammern hindurchgetrieben, welche von der Peripherie zur Mitte gehen und die sich zweckmäßig mit den Heißluftkanälen oder -kammern kreuzen, die die Heißgase beim Austritt aus den Schaufeln eines Rades zu den Leitschaufeln des folgenden Rades führen, so daß weder die Heißgase noch die kalte Luft in ihrem Weg behindert wird.

Dank dieser Anordnung können die Leitschaufeln der Heißgase, welche nun nicht mehr zur Durchleitung der kalten Luft zu dienen haben, durch den Innenumlauf von Kühlwasser kräftig gekühlt werden.

Die Turbine gemäß der Erfindung kann daher als Druckturbine gebaut werden, ohne daß zusätzliche Kühlluftzuführungen notwendig sind. Die Abb. 1 zeigt schematisch und beispielsweise einen Achsialschnitt, d. h. einen Schnitt durch die Achse der Welle einer Ausfühiungsform der Erfindung. Es sind in der Abb. 1 nur drei Turbinenräder dargestellt, wobei für dieses Ausführungsbeispiel eine Gleichdruckturbine mit mehr als drei Rädern oder drei Druckstufen gewählt wurde.

Die Abb. 2 zeigt in Seitenansicht und im Schnitt durch seine Mittelebene ein Rad dieser Turbine in vergrößertem Maßstab.

Die Abb. 3 ist ein Grundriß dieses selben

Rades. Der in Abb. 2 gezeigte Schnitt geht dort durch die Ebene C-D der Abb. 3.

Die Abb. 4 ist ein Querschnitt der gleichen Turbine vom Punkt H auf der linken Seite der Abb. ι aus gesehen. Dieser Querschnitt ist durch die Ebene A-B der Abb. 1 geführt. Der Schnitt von Abb. 1 ist seinerseits durch die Ebenen E-F-G der Abb. 4 geführt.

Die Abb. 5 zeigt einen gleichen Schnitt wie Abb. 4, aber von einer anderen Ausführungsform der Turbine.

Die Abb. 6 veranschaulicht den gleichen Schnitt wie Abb. 1, aber von einer andern Ausführungsform der Turbine.

Die Abb. 7 ist ein zylindrischer Schnitt in Abwicklung durch einen Zylinder, dessen Erzeugende I-K in Abb. 6 ist. In Abb. 8 ist eine Abänderung dargestellt. In dieser Abb. 7 bezeichnet L-M die Ebene, durch welche der in Abb. 6 gezeigte Schnitt geführt ist.

In den Abbildungen ist α die Turbinenwelle; O₁, δ₂, b₃ sind die Radscheiben mit den Hilfsscheiben C₁, c₂, c_s und den Schaufeln d, d. Diese Bauart der Räder entspricht derjenigen, welche allgemein bei umlaufenden Verdichtern üblich ist. e, e sind die Hohlschaufeln, deren über die Räder vorstehenden Teile die von den achsialen Dampfturbinen her bekannte Rinnenform haben. Da die Abbildungen schematisch gedacht sind, wurde die Art der Befestigung der Schaufeln nicht dargestellt. Jede Schaufel tritt zum Teil ins Innere des Rades ein und zwischen jeder go Schaufel ist das Rad nach außen durch einen vollen Teil f, wie er in Abb. 2 ersichtlich ist, abgeschlossen. g_t, g₂, g₃, g₄ sind feste Zwischenwände, welche die Räder I₁, &₂, b₃ voneinander trennen. Die Umkehrkammern A₁, Ji₂, h_s mit Rippen η verbinden die äußeren Ringkammern h, h> h ^mit den Einlassen k_x, k%, k₃ der Räder. Zwischen den Schaufeln e und den Ringkammern ij-i₃ sind Diffusoren mit den Schaufeln angeordnet. Im unteren Teil der Abb. 1 und in den Abb. 6 und 7 bezeichnen p_v fi₂, p₃, f_t die Heißgaskammern mit den Leitschaufeln q_x, ^₂, q₃. Aus der Abb. 4 ist ersichtlich, daß die dort veranschaulichte Stufe zwei Heißgaskammern p„ aufweist, die einander diametral gegenüberliegen, mit zwei Reihen Leitschaufeln q₂. Der Querschnitt von Abb. 4, der durch die Mittelebene A-B der Umkehrkammer A₂ geführt ist, läßt erkennen, daß die beiden Heißgaskammern p₂ durch dieKammerÄ₂ hindurchtreten und an der Stelle, wo diese durchschnitten wird, die Kammern p_% außen mit einer Hohlrippe r und innen mit einer Hohlrippe s versehen sind, welche die kreisende Luft in der Kammer A₂ leiten und sie an der Bildung von Wirbeln um die Kammer p₂ verhindern, um Geschwindigkeits- oder Druckverluste zu vermeiden.

Gemäß Abb. 5, welche eine Abänderung der Ausführungsform nach Abb. 4 zeigt, sind zwei Heißgaskammern f₂ auf j eder Turbinenseite vorgesehen, statt nur einer solchen. In der zweiten Abänderung (Abb. 6 und 7) wird durch die Heiß-

gaskammer p₂ ein Luftkanal A₂' von außen nach innen geführt, welcher einen Teil der Umkehrkammer A₂ bildet.

Die Arbeitsweise der Turbine ist wie folgt: Die durch die Verbrennung eines beliebigen Brennstoffes, z. B. Rohpetrol, in einer in den Abbildungen nicht dargestellten Verbrennungsoder Explosionskammer erzeugten Heißgase dringen zwischen die Leitschaufeln q₁ ein, dehnen ίο sich dort aus und wirken auf die Schaufeln e des ersten gezeigten Rades, genau wie in einer teilweise beaufschlagten rnehrstufigenAchsialdampfturbine. Die aus den Schaufeln austretenden Heißgase gelangen in die Heißgaskammer p₂, gehen durch sie hindurch und kommen von da in die Leitschaufeln q₂ der folgenden Stufe, wo sie sich neuerdings ausdehnen usf. In der Abb. ι sind drei Räder B₁, B₂, B_s, drei Reihen von Leitschaufeln q_x, q„, q₃ und vier Heißgaskammern P₁ ... p_i gezeigt, durch welche die Gase im Sinne der fortlaufenden Zahlen i, 2,3,4 strömen (vier Druckstufen). Anderseits wird das • kalte Gas, das für den Betrieb der Turbine notwendigerweise verdichtet werden muß und das entweder Luft oder Sauerstoff ist oder werden die Brenngase selbst oder die abgekühlten Auspuffgase, die man wieder auf den atmosphärischen Druck bringen muß, sofern sie sich unterhalb diesen ausgedehnt haben sollten, durch diese selben Räder b₁...b₃ (Abb. 1) geführt. Zur Vereinfachung werden hinfort in der Beschreibung diese Gase kurz als »Kühlluft« bezeichnet. Dann werden diese Räder aber als Räder eines umlaufendenVerdichters benutzt, und die Kühlluft durchstreicht sie in umgekehrter Richtung, also b₃, b„, B₁. Die Kühlluft tritt in das erste Rad B₃ (Abb. 1) bei k_s ein und wird durch die Schaufeln d in radialer Richtung nach auswärts geschleudert. Sie durchströmt dann das Innere der hohlen Schaufeln e und entweicht in den Diffusor. In dem Diffusor wandelt die Kaltluft einen Teil ihrer absoluten Austrittsgeschwindigkeit aus dem Rade in Druck um; sie wird dann durch die Schaufeln m in die äußere Ringkammer i₃ geleitet. Aus dieser Kammer i_s gelangt die Kaltluft durch die Umkehrkammer A₃ gegen die Mitte der Turbine zurück und wird dabei durch die Rippen η geleitet. Sie tritt bei k₂ in das zweite Rad B₂ ein und beginnt ihren Lauf wieder zur äußeren Ringkammer i₂. Von dort kehrt sie durch die Umkehrkammer A₂ zurück und gelangt bei A₁ in das dritte Rad B₁ usw. Die Kaltluft kreist demnach wie in einem gewöhnlichen umlaufenden Verdichter, mit dem Unterschied, daß sie beim Austritt aus den Rädern durch das Innere der Hohlschaufeln e streicht. Die Kühlluftkanäle und die Heißluftkanäle müssen gekreuzt werden. Diese Kreuzung findet statt, indem die Kühlluft um die Kammern p und zwischen dieselben geführt wird, wie dies aus der Abb. 4 hervorgeht. Die teilweise Wegnahme der Zwischenwand g₂ in dieser Abbildung läßt das Rad B₂ erkennen, qbenso die Schaufeln e und den Diffusor mit seinen Schaufeln m. Durch einen Pfeil ist die Drehrichtung des Rades angedeutet. Die Kühlluft gelangt bei ihrem Austritt aus den Schaufeln des Diffusors durch die äußere Ringkammer i₂ in die Kammer A₂, wo die Rippen n, die zweckdienlich gestaltet sind, sie gegen die Achse zu leiten. In der Abb. 4 ist ferner ersichtlich, welche Rolle den Hohlrippen r und s zukommt, welche j ede Heißgaskammer p umgeben. Es ist zweckdienlich, die Heißgaskammern j eder Stufe zu vermehren nach Maßgabe der zunehmenden Ausdehnung der Heißgase.

In der Abänderung gemäß den Abb. 6 und 7 ist durch die Heißgaskammer p₂ selbst ein Kanal A2 geführt, welcher der Umkehr- oder Luftkammer A₂ zugehört. Es ist klar, daß, wenn der Kanal A₂" die ganze Breite der Kammer p₂ einnehmen würde, in dem Sinne der Wellenachse der Turbine, dann diese Kammer in zwei gesonderte Kammern unterteilt würde. Da er aber, wie in Abb. 7 wahrnehmbar ist, nur einen Teil dieser Breite einnimmt, ermöglicht es dieser Kanal, daß die Leitschaufeln q₂ in der Klammer p₂ ohne Unterbrechung nebeneinander angeordnet werden können. Man könnte sogar so weit gehen, nur eine einzige Heißgaskammer vorzusehen, welche rings um die Turbine herumgeführt ist, während dann die Kaltluft diese Ringkammer durch eine Reihe von Kanälen, ähnlich dem Kanal A₂ der Abb. 7, von außen nach der Mitte hin durchströmt. Man würde dann in dieser Stufe eine voll beaufschlagte Turbine erhalten, eine Bauart, welche für das letzte Rad der Turbine, dort, wo die Heißgase ihr größtes Volumen besitzen, mit Vorteil benutzt werden könnte.

Eine solche Bauart ist in Abb. 8 schematisch dargestellt. Die als fortlaufende Ringkammer p₂ ausgebildete Heißgaskammer wird durch eine Reihe voji Kaltluftkanälen A₂ durchschnitten, welche die beiden konzentrischen Teile der Umkehrkammer der Kaltluft miteinander verbinden, welche Umkehrkammer durch die ringförmige Heißgaskammer p± in diese beiden konzentrischen äußeren und inneren Teile getrennt sind. Wie ersichtlich, wird bei dieser Anordnung das nächstfolgende Rad durch die Heißgase voll beaufschlagt. Alle Zwischenverbindungen sind innerhalb der beiden Grenzpunkte möglich, einerseits: eine einzige kleine Heißgaskammer, welche an einer Stelle die Umkehrkammer der Kaltgase durchschneidet, und anderseits: eine große Heißgasringkammer, welche den ganzen Umfang der Turbine einnimmt und welche ihrerseits durch die -Kaltluftkanäle durchschnitten wird. Mehrere unter sich verschiedene Zusammenstellungen dieser Art könnten an ein und derselben Turbine verkörpert werden.

Da die Abbildungen nur schematisch gedacht sind, so wurde, um die Zeichnung zu vereinfachen, keine der vorzusehenden Kühleinrichtungen, die für die Heißgaskammern und die Leitschaufeln notwendig sind, dargestellt. Die Kühlung kann beispielsweise durch Wasserumlauf in Doppelwandungen erzielt werden.

Die um die Kammern p.₂ geführten Rippen r und s gemäß den Abb. 4 und 5 könnten als Doppelwandungen für diesen Wasserumlauf gebaut werden.

Ebensowenig wurden die Kühleinrichtungen für die Kaltluft veranschaulicht. Diese kann durch irgendeines der bekannten Mittel gekühlt

werden. Übrigens ist die Kühlluft stärker zu kühlen als in den üblichen umlaufenden Verdichtern, da man dieser Kaltluft nicht nur ihre eigene Verdichtungswärme entziehen muß, sondern auch die Wärme, welche sie von den Schaufeln bei ihrer Kühlung abgeführt hat.

Es ist ersichtlich, daß die Hohlschaufeln (Abb. 3) auf der Seite der Scheibe b in einen spitzen Winkel auslaufen, auf welcher Seite die Heißgase auf sie auftreffen. Auf der Ausflußseite, d. h. auf der Seite der Hilfsscheiben c, können die Schaufeln in einen stampfen Teil ausmünden, wie dies in Abb. 3 angedeutet ist, wodurch es möglich wird, ihnen einen größeren freien Innenquerschnitt zu geben.

Um den Eintritt der Kühlluft in die Schaufeln im Innern des Rades zu erleichtern, kann man im Radinnern und in der Radebene den Querschnitt dieser Schaufeln erweitern, bis die radialen Innenenden der einander benachbarten Schaufeln einander berühren. Anderseits verläßt die Kühlluft die Schaufeln auf ihrer Außenseite in Form vereinzelter aufeinanderfolgender Strahlen. Es kann vorteilhafter erscheinen, die Kühlluft in Form eines ununterbrochenen Bandes in den Diffusor eintreten zu lassen oder doch zum mindesten die Strahlen dicht zusammenzurücken. Zu diesem Zweck könnte man im Sinne der Radebene das Außenende der Schaufeln gleichfalls erweitern, bis die benachbarten Schaufeln sich berühren.

Claims (5)

1. Patent-Ansprüche:

   ι . Brennkraftturbine mit mehreren Druckstufen, deren Räder und ihre hohlen Schaufeln so ausgeführt sind, daß sie sowohl als Turbinenräder und Turbinenschaufeln als auch als Räder und Schaufeln eines umlaufenden Verdichters dienen können, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem Diffusor austretende Kühlluft nach der Mitte des folgenden Rades geführt wird, wobei sie durch Kanäle oder Kammern hindurchgeleitet wird, die sich mit den Kammern kreuzen, welche die Heißgase von einem Rad zum andern überleiten, so daß weder die Heißgase noch die Kühlluft auf ihren Wegen behindert werden.
2. 2. Turbine nach Anspruch 1 nach der Art teilweise beaufschlagter Achsialturbinen mit einer Mehrzahl von Druckstufen, in welcher die aus einem Rad austretenden Heißgase in wenigstens eine Heißgaskammer eintreten, ausweicher sie zu den Leitschaufeln der nächstfolgenden Stufe gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Heißgaskammer durch eine Umkehrkammer der Kühlluft hindurchgeführt ist, wobei diese Kaltluft die Kammer in der Richtung von der Peripherie zur Mitte hin durchströmt.
3. 3. Turbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, wo eine Heißgaskammer eine Umkehrkammer der Kühlluft durchschneidet, das Außengehäuse der Heißgaskammer eine geschweifte Form aufweist, welche dem Umlauf der Kühlluft von der Peripherie zur Mitte günstig ist, um soviel als möglich zu verhüten, daß diese Kühlluft Wirbel bildet und Geschwindig-" keits- und Druckverluste erleidet.
4. 4. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Heißgaskammern ihrerseits durch wenigstens einen Kühlluftkanal, welcher einen Teil der Umkehrkammer der Kühlluft bildet, durchschnitten wird.
5. 5. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgaskammer wenigstens einer Stufe die Form einer fortlaufenden Ringkammer hat, um für das nächstfolgende Rad eine Vollbeaufschlagung durch die Heißgase zu erzielen, wobei sie aber durch eine Reihe von Kühlluftkanälen durchschnitten wird, welche die beiden konzentrischen Teile der Umkehrkammer der Kühlluft miteinander verbinden, welche Umkehrkammer durch die ringförmige Heißgaskammer in diese beiden konzentrischen äußeren und inneren Teile getrennt wird,

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.