DE4440241C1 - Turbine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Turbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. Patentanspruches 22.

Turbinen werden bereits seit langem zur Energieerzeugung ein­ gesetzt. Die Energieumsetzung und der Wirkungsgrad herkömm­ licher Turbinen ist jedoch unbefriedigend. Zum einen ist der Verbrauch an Betriebsmedien, wie Wasser oder Gas, hoch und zum anderen entstehen zum Teil erhebliche Verluste aufgrund der La­ gerung des Turbinenrades.

In der Lagerung stellen neben den Reibungsverlusten radiale und seitliche Schwingungen des Turbinenrades bei hohen Drehzahlen schwerwiegende Probleme dar.

Weiterhin sind herkömmliche Turbinen oftmals kompliziert auf­ gebaut und erfordern einen dementsprechenden Herstellungs­ aufwand.

Aus der DE-PS 7 24 269 ist eine Turbine bekannt, deren Turbinen­ rad betriebsmedium- bzw. gasgelagert ist und die über einen Ge­ nerator Strom erzeugt. Das halbkegelig ausgebildete Turbinenrad wird in horizontaler Ausrichtung, d. h. mit vertikaler Dreh­ achse auf dem Betriebsmedium gelagert. Ein Betrieb der Turbine ist nur in dieser Ausrichtung möglich.

Das Turbinenrad wird durch ein Kräftegleichgewicht vom direkten Druck des Betriebsmediums, von den dynamischen Kräften, die auf das Betriebsmedium in an sich bekannter Weise nach Abb. 1 der DE-PS 7 24 269 an einen derart umströmten Körper angreifen und durch die Gewichtskraft in einer stabilen Lage gehalten. Die Stabilisierung erfolgt dabei vorwiegend durch die dyna­ mischen erwähnten Kräfte.

Der Nachteil der dort beschriebenen Turbine besteht jedoch darin, daß das Turbinenrad stets horizontal oder nahezu hori­ zontal ausgerichtet sein muß. Weiter muß das Betriebsmedium entgegen seiner eigenen Schwerkraft von unten nach oben durch die Maschine geleitet werden und nach Umströmen des Turbinenra­ des noch soviel Energie aufweisen, daß es ohne Gefahr eines Rückstaus aus der Turbine entweichen kann. Eine effiziente Energieumsetzung ist daher mit der dort beschriebenen Turbine nicht erreichbar.

In der DE 34 24 310 A1 ist eine Turbine mit einem Turbinenge­ häuse und einem Turbinenrad beschrieben. Im Turbinengehäuse sind Zuführungskanäle vorgesehen, durch die das Turbinenrad mit Betriebsmedium beaufschlagt wird. In den Zuführungskanälen ist eine kubische Pfeife für das Betriebsmedium ausgebildet, in der das Betriebsmedium Schwingungen in und entgegen der Austritts­ richtung ausführen kann, so daß die vom Betriebsmedium Zuge­ führte Energie noch effektiver genutzt werden kann.

Desweiteren sind aus der DD-PS 1 42 389 und der DE 28 09 237 C2 noch Turbinen bekannt, die zu Zwecken der Kernresonanz­ spektroskopie konzipiert sind. Vom Energieumsetzungsgrad her sind diese Turbinen keineswegs optimal auf gebaut.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Turbine bereitzustellen, die einen besonders hohen Wirkungsgrad erreicht, leicht und kosten­ günstig herstellbar ist und gleichzeitig universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und/oder 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge­ staltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein Grundgedanke der hier vorgeschlagenen Turbine ist es, das Turbinenrad, welches nach außen hin aufeinander zulaufende Laufflächen aufweist, mit geringem Spiel gegenüber gehäusesei­ tigen Lagerflächen in das Gehäuse einzusetzen, so daß das Tur­ binenrad im Betrieb über das Betriebsmedium gelagert ist und sich nur indirekt an den Lagerflächen des Turbinengehäuses ab­ stützt.

Die eigentliche Lagerung des Turbinenrades wird im Betrieb der Turbine dadurch gebildet, daß die pulsierende Strömung des Ver­ sorgungsmediums so auf die Antriebsflächen des Turbinenrades ein­ wirkt, daß die Summe der Kraftvektoren auf die Mittenachse des Turbinenrades wirken und das Turbinenrad dadurch in der Schwebe gehalten wird.

Prinzipiell soll im normalen Betriebszustand der Turbine das Turbinenrad ausschließlich durch den Aufprall des von beiden Seiten einwirkenden Betriebsmediums gelagert werden, wobei das Turbinenrad dabei abwechselnd von einer Seite zur anderen ge­ drückt wird. Die Gehäuseflächen sind dann nur Hilfsflächen und nur im Bereich außerhalb der Antriebstaschen wirksam.

Gemäß einem weiteren Grundgedanken wird in den Zuleitungen, bzw. Kanälen ein abstimmbarer Hohlraumresonator für das Betriebsmedium aus­ gebildet, so daß das Betriebsmedium Schwingungen in und entge­ gen der Austrittsrichtung ausführen kann. Auf diese Weise ist es möglich, die durch das Betriebsmedium zugeführte Energie durch Resonanzverstärkung noch besser auszunutzen und die Tur­ bine in Resonanz zu betreiben.

Sowohl durch den quasi lagerfreien Betrieb der Turbine als auch durch die Ausbildung von abstimmbaren Hohlraumresonatoren in den Zu­ führungskanälen läßt sich ein besonders guter Energieum­ setzungsgrad erreichen.

Darüberhinaus kann es vorteilhaft sein, die Statorwicklungen eines in der Achse des Turbinenrades angeordneten Generators als Hochtemperatursupraleiter auszubilden und zu betreiben. Dadurch läßt sich der Energieumsetzungsgrad weiter erhöhen.

Weiterhin lassen sich die einzelnen Komponenten der Turbine einfach und daher kostengünstig herstellen.

Besonders das Turbinenrad kann, wenn es mit einfachen, ins­ besondere prismatischen Vertiefungen, versehen ist, leicht und kostengünstig aus unterschiedlichen Werkstoffen, wie Metall, Glas, Keramik, in verschiedenen alternativen Verfahren, wie z. B. durch Gießen, Sintern oder durch spangebende Bearbeitung, hergestellt werden.

Besonders interessant hierbei ist die Herstellung aus kerami­ schen Werkstoffen, die einen Betrieb bei hohen Temperaturen, (< 1.200°C) erlauben, weil die Geometrie des Turbinenrades keine dünnwandigen Komponenten enthält.

Es ist darüberhinaus ohne weiteres möglich, auch die übrigen Komponenten aus keramischen Werkstoffen herzustellen, was in­ teressante Aspekte in der Energiegewinnung sowohl bei der Ver­ wendung von gasförmigen Medien als auch bei Verwendung von Fluiden, insbesondere Wasser, mit sich bringt. Beispielsweise läßt sich eine keramische Turbine auch in Trinkwasserkreis­ läufen einsetzen. Eine gasbetriebene keramische Turbine kann auf sehr hohen Temperaturen gefahren werden, was ebenfalls den Energieumsetzungsgrad erhöht.

Außerdem sind Turbinenrad und Gehäuseteile in beliebigen Größen und Größenverhältnissen herstellbar und damit auf die Einsatz­ anforderungen, (Drehmoment, Wärmesenkenbildung, etc.) anpaßbar.

Dies bedeutet: um bei einem Generator ein hohes Drehmoment bei kleinem Generatordurchmesser, bzw. bei kleiner Generator­ drehzahl, zu erreichen, wird das Turbinenrad am Arbeitstaschen- Teilkreisdurchmesser größer dimensioniert und die Durchmesser­ differenz zum Generator durch eine membranähnliche Formgebung der Durchmesserdifferenz des Turbinenrades auf den Generator­ durchmesser ausgeglichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Eine Teil-Querschnittsansicht der Turbine;

Fig. 2 ein beispielhaftes Turbinenrad;

Fig. 3a einen Gehäusedeckel mit Lagersegmenten;

Fig. 3b einen Gehäusekern mit Düsenkanälen;

Fig. 4 eine Innenansicht der Turbine;

Fig. 5 die Turbine ohne Generator und Schaufelkranz;

Fig. 6a einen Schaufelkranz als Guß-/Frästeil;

Fig. 6b einen Schaufelkranz in Blechausführung;

Fig. 7 die Hohlraumresonatoren im Zusammenwirken mit dem Turbinenrad;

Fig. 8 einen Ringanker-Generator für die Turbine;

Fig. 9 den Ringanker-Generator aus Fig. 8, teilweise zerlegt.

Die in Fig. 1 gezeigte Turbine umfaßt einen aus zwei Hälften bestehenden Gehäusedeckel 15a und einen ebenfalls aus zwei Hälften bestehenden Gehäusekern 15b. Zwischen den beiden Hälf­ ten des Gehäusedeckels 15a und des Gehäusekerns 15b ist ein Turbinenrad 10 befindlich, welches mit Antriebstaschen 12 versehen ist.

Auf dem Turbinenrad 10 ist ein Schaufelkranz 13 montiert. Durch ein Distanzstück 38 werden die beiden Hälften des Gehäuse­ deckels 15a beabstandet gehalten. Eine zylindrische Ausnehmung entlang der fluchtenden Achsen des Turbinenrades 10 und der beiden Hälften des Gehäusekerns 15b dienen der Aufnahme von Ge­ neratorkomponenten und wird nachstehend als Achskanal 40 be­ zeichnet. Der Antrieb des Turbinenrades 10 erfolgt über das je­ weilige durch Zuführungskanäle 19 auf das Turbinenrad 10 gelei­ tete Betriebsmedium. Die Zuführungskanäle 19 sind (mit pro­ gressiven Querschnittsverlauf) in der Form von Nuten oder Bohrungen derart in das Gehäuse eingearbeitet, daß die Arbeits­ flächen 30a, 30b, der Antriebstaschen 12 durch das Betriebme­ dium senkrecht beaufschlagt werden.

Fig. 2 zeigt das Turbinenrad aus Fig. 1. Das ringförmige Tur­ binenrad 10, das beidseitig nach außen hin dachförmig auf­ einander zulaufende Laufflächen 11 aufweist, ist in einfacher Weise aus den verschiedensten Materialien, wie beispielsweise Metall, Keramik oder Glas, herstellbar.

In den Laufflächen 11 sind vorteilhafterweise als prismatische Vertiefungen die Antriebstaschen 12 ausgebildet. Sie weisen je­ weils zwei aufeinander senkrecht stehende, jedoch gekrümmt ver­ laufende Arbeitsflächen 30a, 30b auf. Die Anzahl der auf einer Seite des Turbinenrades 10 angeordneten Antriebstaschen 12 ist vorzugsweise primzahlig. Dadurch wird die Gefahr der Ausbildung von Resonanzen und Schwebungen reduziert.

Die Abstände zwischen den Antriebstaschen 12 sind äquidistant und darüberhinaus so gewählt, daß die Zuführungskanäle 19 wäh­ rend der Drehung des Turbinenrades 10 zwischen zwei Antriebsta­ schen 12 vollständig verschlossen werden oder innerhalb der Austrittsfläche der Zuführungskanäle 19 ineinander übergehen.

Als Folge davon ergibt sich entweder ein pulsierender oder ein sinusförmiger Druckverlaufin den Zuführungskanälen 19. Die Antriebstaschen können beispielsweise, je nach Werkstoff des Turbinenrades 10, bereits in einem Gießverfahren, in dem das gesamte Turbinenrad ausgebildet wird, oder nach Herstellung ei­ nes Turbinenrad-Rohlings, eingefräst werden. Das Turbinenrad 10 besitzt infolge seiner einfachen Gestaltung eine hohe Steifig­ keit und eine geringe Empfindlichkeit gegen Schwingungen.

Die Lagerung des Turbinenrades 10 erfolgt zwischen den Laufflä­ chen 11 des Turbinenrades 10 und Lagerflächen 16a, 16b, die am Gehäusedeckel 15a und am Gehäusekern 15b ausgebildet sind, über das dazwischen befindliche Betriebsmedium. Die Tragfähigkeit dieser Lagerung nimmt mit zunehmender Drehzahl des Turbinenra­ des 10 zu. Durch eine entsprechende Profilierung der Lagerflä­ chen (hydrostatische Lager) kann die Tragfähigkeit der Lager weiter erhöht werden. Aufgrund der mit steigendem Radius zuneh­ menden Größe der effektiven Lagerfläche reduziert sich die Tragzahl der Flächenanteile. Dem wird dadurch begegnet, daß die Winkel der Lagerfläche im Gehäuse und am Turbinenradkörper da­ hingehend differieren, daß von innen nach außen ein abnehmender Zwischenraum entsteht. Selbstverständlich kann die Lagerung am Gehäuse auch alternativ ausgebildet sein.

Fig. 3a zeigt eine Hälfte des Gehäusedeckels 15a mit den daran segmentweise angeordneten Lagerflächen 16a.

Der Winkel der Lagerflächen ist auf den Winkel der Laufflächen 11 des Turbinenrades 10 abgestimmt. Beide Hälften des Ge­ häusedeckels 15a sind mit kegelförmigen Innenbohrungen versehen zur Aufnahme jeweils einer Hälfte des Gehäusekerns 15b.

Eine der beiden spiegelbildlichen Hälften des Gehäusekerns 15b ist in Fig. 3b gezeigt. Sie ist ebenfalls ringförmig und bildet durch eine zentrale zylindrische Ausnehmung einen Teil des be­ reits erwähnten Achskanals 40.

Stirnseitig sind die in ihrem Winkel auf die Laufflächen 11 des Turbinenrades 10 abgestimmten Lagerflächen 16b erkennbar. Es ist von Vorteil, wenn die Lagerflächen 16b segmentweise ange­ ordnet sind. Der in Fig. 3b gezeigte Gehäusekern ist mit drei nutenförmigen Zuführungskanälen 19 versehen, die in einer sol­ chen Ausrichtung in den Gehäusekern 15b eingearbeitet sind, daß die Antriebstaschen 30 senkrecht mit Betriebsmedium beauf­ schlagt werden. In dem hier gezeigten Gehäusekern 15b sind nur Zuführungskanäle 19 eingearbeitet, die bei Beaufschlagung der Antriebstaschen 30 mit Betriebsmedium eine Drehung des Turbinenrades in eine Richtung bewirken. Es ist jedoch auch denkbar, eine zweite Gruppe von Zuführungskanälen (nicht ge­ zeigt) vorzusehen, die bei gleichzeitigem Verschließen der er­ sten Gruppe von Zuführungskanälen 19 eine entgegengesetzte Dre­ hung des Turbinenrades 10 durch Beaufschlagung der zweiten An­ triebsfläche des Turbinenrades bewirken. Ein Umschalten zwi­ schen den beiden Gruppen von Zuführungskanälen 19 erfolgt durch einen oder mehrere Schieber (nicht gezeigt).

Fig. 4 zeigt das Innere der beschriebenen Turbine, wobei die hier deutlich erkennbaren Zuführungskanäle 19 beider Hälften des Gehäusekerns 15b so ausgelegt sind, daß sich die Turbine stets, mit Blickrichtung auf Fig. 4, entgegen des Uhrzei­ gersinns, dreht. Mit den vorstehend beschriebenen Maßnahmen, einer zweiten Gruppe von entsprechend anders ausgerichteten Zu­ führungskanälen, ist die Möglichkeit gegeben, die Turbine auch in entgegengesetzter Drehrichtung zu betreiben. Fig. 4 veran­ schaulicht weiterhin, wie bei Drehung des Turbinenrades 10 die Auslässe 25 der Zuführungskanäle 19 alternierend geöffnet und nahezu bzw. ganz verschlossen werden.

Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Turbine ohne Gehäusedeckel und Schaufelkranz. Deutlich sichtbar ist hier das Abstützen des Turbinenrades 10 mit seinen Laufflächen 11 an den Lagerflächen 16a, 16b des Gehäusedeckels 15a einerseits und des Gehäusekerns 15b andererseits. Gut dargestellt ist ebenfalls der durch die jeweiligen Hälften des Gehäusedeckels 15a und des Gehäusekerns 15b im Anschluß an den Zuführungskanal gebildete Auslaß 25.

Beim Ausströmen des unter Druck stehenden Betriebsmediums wird das Turbinenrad in Drehung versetzt und das Betriebsmedium durch die Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt. Dabei bil­ det sich aus dem durch die Zentrifugalkraft nach außen hin ge­ preßten Betriebsmedium ein Film zwischen den Laufflächen 11 des Turbinenrades 10 und den Lagerflächen 16a, 16b des Turbinenge­ häuses 15. Dieser Film trägt und zentriert das Turbinenrad 10. Gleichzeitig erhält das in den Antriebstaschen 12 befindliche Betriebsmedium bei der weiteren Drehung des Turbinenrades 10 eine radiale Beschleunigung und wird nach Eintritt in Entspannungssegmente am Gehäusedeckel 15a nach außen geschleu­ dert. Die noch im Betriebsmedium enthaltene Energie wird durch die Schaufeln eines auf dem Turbinenrad 10 montierten Schaufel­ kranzes 13 (vgl. Fig. 1) aufgenommen und zur Erhöhung der An­ triebsleistung des Turbinenrades 10 eingesetzt. Hierdurch wird die Bewegungsenergie des Betriebsmediums weitestgehend ausge­ nutzt und die Kavitation in der um die Austrittsöffnungen ange­ ordneten Auffangeinrichtung durch das Auftreffen des Betriebs­ mediums minimiert.

Fig. 6a und Fig. 6b zeigen verschiedene Ausführungsformen eines auf das Turbinenrad 10 aufsetzbaren Schaufelkranzes 13 mit im wesentlichen äquidistant beabstandeten Schaufeln 14.

Der in Fig. 6a gezeigte Schaufelkranz 13 kann zweckmäßigerweise als Guß- oder Frästeil ausgebildet werden, wohingegen sich die in Fig. 6b gezeigte Ausführungsform besonders gut in Blechaus­ führung fertigen ließe.

In Fig. 7 ist das Prinzip der in den Zuführungskanälen 19 aus­ gebildeten Hohlraumresonatoren 22 veranschaulicht. Mittig ist in radialer Blickrichtung das Turbinenrad 10 dargestellt, an dem zu beiden Seiten die äquidistante Folge von Antriebstaschen 12 erkennbar ist.

Die Antriebstaschen 12 beider Laufflächen 11 sind gegeneinander um eine Halbperiode versetzt sind, so daß ein Auslaß 25a voll­ ständig geöffnet ist, wenn der gegenüberliegende Auslaß 25b ganz oder teilweise, je nachdem wie dicht die Antriebstaschen im Vergleich zum Austrittsquerschnitt angeordnet sind, ver­ schlossen ist.

Zu beiden Seiten des Turbinenrades 10 sind die Zuführungskanäle 19 mit progressiv zu laufender (konischer) Querschnittsform er­ kennbar. Die Auslässe 25 der Zuführungskanäle 19 sind so ausge­ richtet, daß sie eine Arbeitsfläche 30a oder 30b der Antrieb­ staschen 12 jeweils senkrecht mit Betriebsmedium beaufschlagen.

Der in den Zuführungskanälen 19 ausgebildete Resonator 22 be­ steht aus sich zum Auslaß 25 hin verjüngenden Seitenwänden und einer Reflexionsfläche 24, an dem dem jeweiligen Auslaß 25 a, b gegenüberliegenden Ende.

Bekannt ist, daß Systeme, die auf ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden, einen erheblich geringen Energiebedarf bei gleichzeitiger höherer Leistungsabgabe aufweisen. Dadurch, daß die Betriebscharakteristik der Turbine eine drehzahlabhängige, kontinuierlich auftretende Unterbrechung der Strömung und des unter Druck stehenden Betriebsmediums umfaßt, besteht die Mög­ lichkeit, durch eine entsprechende Ausführung der Zufüh­ rungskanäle 19 einen Resonator auszubilden, dessen Resonanzfre­ quenz auf die Betriebsdrehzahl der Turbine abgestimmt ist. Die­ ser Resonator wird, wie bereits erwähnt, durch eine oder meh­ rere Eingangsöffnungen 23 versorgt und bildet durch die unter Druck stehende Füllung und den unterbrochenen Abfluß des Betriebsmediums einen federähnlichen, schwingfähigen Resonanz­ körper, der durch die Wandungen begrenzt ist.

Zweck dieser Anordnung ist es, auch bei geringem Druck des Be­ triebsmediums durch die Ausbildung einer schwingenden Flüssig­ keitssäule in Verbindung mit der (akustischen) Übersetzung die­ ser Säule zur Düsenöffnung hin an der Düsenöffnung eine hin­ reichend hohe Austrittsgeschwindigkeit des Betriebsmediums, verbunden mit einer entsprechend hohen kinetischen Energie, zu erhalten.

Beim Schließen der Zuführungskanäle 19 durch die Laufflächen 11 des Turbinenrades 10 wird die Strömung gestoppt und dem Be­ triebsmedium ein Impuls rückwärts in den Zuführungskanal 19 re­ flektiert, welcher wiederum an der rückwärtigen Re­ flexionsfläche 24 reflektiert wird und sich erneut in Aus­ trittsrichtung ausbreitet. Dadurch, daß der Hohlraum-Resonator 22 als Kegel ausgebildet ist, wird beim Anhalten der Strömung also bei Verschluß des Auslasses 25 durch die Lauffläche 11 des Turbinenrades 10 im unter Druck stehenden Betriebsmedium ein Impuls gebildet, der sich rückwärts mit in Abhängigkeit des Querschnittes des Zuführungskanals 19 abnehmender Amplitude ge­ gen die vorzugsweise sphärisch ausgebildete Reflexionsfläche 24 des Hohlraum-Resonators 22 ausbreitet und von dieser mit wieder zunehmender Amplitude zum Auslaß 25 reflektiert wird.

Für die Einschätzung der Ausbildung und der Größe der entste­ henden Amplituden können in erster Näherung die in der Festkör­ perakustik üblichen Berechnungsgrundlagen (Stabschwinger/kegelförmiger Stabschwinger) angewendet werden. In erster Nä­ herung kann von einer druckabhängigen Wellenausbreitungs­ geschwindigkeit im Wasser (bei dessen Verwendung als Betriebs­ medium) von ca. 1500 m/s ausgegangen werden. Bei 29 Antriebs­ taschen pro Turbinenradseite und einer Drehzahl von 10.000 Um­ drehungen pro Minute resultiert eine Pulsationsfrequenz von ca. 5 kHz, was einer Resonatorlänge inklusive Düse von etwa 150 mm entspricht. Dabei ist eine Übersetzung des Resonators im Ver­ hältnis von 5 : 1 (druckabhängig) vertretbar.

Durch Verschieben der Reflexionswand 23 oder durch andere ge­ eignete Maßnahmen ist der Hohlraumresonator 22 abstimmbar, so daß die Resonanzfrequenz der Turbine einstellbar ist.

Durch die Ausbildung eines Hohlraum-Resonators 22 in den Einführungskanälen 19 wird der Verbrauch an Betriebsmedium re­ duziert und die Energieumsetzungsrate, d. h. der Wirkungsgrad erhöht.

Zur Erzeugung elektrischer Energie können verschiedene Arten von Generatoren eingesetzt werden.

In Fig. 8 und Fig. 9 ist beispielhaft ein Ringanker-Generator dargestellt, dessen Erregermagnet 36, 37, 39 aus einem inneren Permanentmagnet 37 und einem äußeren Permanentmagnet 36, beide jeweils kreuzgepolt, und einem entsprechenden Polschuh 39 ge­ bildet ist.

Der Erregermagnet 36, 37, 39 wird durch einen Haltering 33 zusammengehalten und ist im Turbinenrad 10 montiert. An der Stirnseite des Erregermagnets, axial mit diesem fluchtend, ist ein Ringanker 34, 35, der aus einer Ringwicklung 35 und einem Isolator 34 besteht, im Gehäuse 15 feststehend angeordnet. Er­ regermagnet 36, 37, 39 und Ringanker 34, 35 drehen sich daher relativ zueinander, so daß durch Induktion Strom erzeugt wird.

Neben dem Ringanker-Generator ist jedoch auch ein Supraleiter- Generator denkbar, der wie in Fig. 1 skizziert, aufgebaut sein kann.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Perma­ nentmagnet 29 in das Innere des Turbinenrades 10 eingesetzt. Im Achskanal 40 ist ein dielektrischer Isolator 26 zur Aufnahme von vorzugsweise in Längsrichtung des Achskanals 40 verlaufen­ den Hochtemperatursupraleitern 27 angeordnet. Der Permantmagnet 29 dreht sich mit dem Turbinenrad 10 um die Hochtem­ peratursupraleiter 27, wobei die Induktionswirkung noch dadurch erhöht werden kann, daß über die Länge des Magnetfelds ein Kern aus weichmagnetischem Werkstoff in den Isolator 26 eingebaut wird.

Die beschriebene Anordnung erlaubt die Verwendung sogenannter Hochtemperatursupraleiter, da die Kühlung der Leiter sowohl durch die Verwendung rohrförmiger Leiter als auch durch das Einarbeiten von Kühlkanälen in den Isolator 26 auf einfache Weise erreicht ist.

Beim Einsatz der Turbine zum direkten Antrieb von Vorrichtun­ gen, wird eine Wellenkupplung dadurch gebildet, daß im Innendurchmesser des Turbinenrades 10 und auf der Umfangsfläche der Abtriebswelle Stifte, Rohre oder Hülsen (nicht gezeigt) aus einem elastischen oder federnden Werkstoff in halbkreisförmigen Aushöhlungen eingelassen sind, die Axial- oder Radialschwingun­ gen aus dem Turbinenantrieb dämpfen. Hierdurch besteht die Möglichkeit der Kraftabnahme aus keramischen Turbinenrädern ohne die Gefahr der Rißinduzierung, weil am Turbinenrad keine scharfen Kanten oder Ecken erforderlich sind und die auftreten­ den Drücke auf eine relativ große Fläche verteilt sind.

Die Turbine ist weiterhin als Pumpe einsetzbar. Wenn die Tur­ bine aus Keramik besteht, läßt sie sich insbesondere als Trink­ wasserpumpe oder als Pumpe für aggressive Flüssigkeiten ein­ setzen. Ebenfalls kann sie leicht modifiziert als Propelleran­ trieb zum Direktantrieb von Boots- und Luftschrauben, bei­ spielsweise für Motorsegler, eingesetzt werden. Beim Betrieb als Gasturbine ermöglichen die aus keramischen Werkstoffen her­ stellbaren Komponenten einen Einsatz bei sehr hohen Ver­ brennungs- und Betriebstemperaturen. Im Gegensatz zu anderen bekannten Keramikturbinen besteht hier die Möglichkeit einer rationellen Herstellung des Turbinenrades mittels bekannter Verfahrenstechnik.

Claims (24)

1. Turbine mit einem Turbinengehäuse (15) und einem darin befindlichen beidseitig beaufschlagten Turbinenrad (10), wobei am Turbinenrad (10) die beidseitigen Oberflächen nach außen hin aufeinander zulaufende Laufflächen (11) sind, die sich mindestens im Anlaufzustand der Turbine über das Betriebsmedium an Lagerflächen (16a, 16b) des Turbinengehäuses (15) abstützen, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebstaschen (12) symmetrisch über den Laufflächenumfang in beiden Laufflächen (11) zueinander um eine Halbperiode versetzt angeordnet sind.

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (10) über Auslässe (25) im Turbinengehäuse (15) mit Betriebsmedium beaufschlagt wird, wobei die Auslässe (25) von den Lagerflächen (16a, 16b) umgeben sind.

3. Turbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Laufflächen (11) des Turbinenrades (10) eine Vielzahl von beabstandeten Antriebstaschen (12), insbesondere in Form prismatischer Vertiefungen, ausgebildet sind.

4. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Antriebstaschen (12) derart gewählt sind, daß die Auslässe (25) bei Drehung des Turbinenrades (10) durch den Bereich zwischen zwei Antriebstaschen (12) vollständig verschlossen sind.

5. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen zwei Antriebstaschen (12) derart gewählt sind, daß mit dem Schließen einer vorhergehenden Antriebstasche sich bereits die nächste Antriebstasche vor dem Querschnitt des Auslasses (25) bei Drehung des Turbinenrades (10) öffnet.

6. Turbine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine in den Antriebstaschen (12) ausgebildete Arbeitsfläche (30) senkrecht durch das aus den Auslässen (25) ausströmende Betriebsmedium beaufschlagt wird.

7. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmedium durch Zuführkanäle (19) den Auslässen (25) zugeführt wird, die in ihrem Steigungswinkel auf die Antriebsflächen (30) der Antriebstaschen (12) ausgerichtet sind und sich vorzugsweise zu den Auslässen (25) hin verjüngen.

8. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerflächen (16a, 16b) am Turbinengehäuse (15) segmentweise angeordnet sind.

9. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen von Zuführkanälen (19) zum bidirektionalen Betrieb der Turbine hinter den Lagerflächen (16a, 16b) angeordnet sind, so daß das Betriebsmedium, wenn es durch die erste Gruppe von Zuführkanälen (19) geleitet wird, jeweils eine erste Arbeitsfläche (30a) der Antriebstaschen (12) beaufschlagt und ein Wechsel der Drehrichtung des Turbinenrades (10) dadurch erreicht wird, daß das Betriebsmedium anstatt durch die erste durch die zweite Gruppe von Zuführkanälen geleitet wird und dadurch die jeweils zweiten Arbeitsflächen (30b) der Antriebstaschen (12) beaufschlagt werden.

10. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Drehrichtung des Turbinenrades (10) durch einen oder mehrere Schieber in den Zuführkanälen (19) erfolgt.

11. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinengehäuse (15) beidseitig axial mit zwei aufeinander zulaufenden Innenkegeln zur Aufnahme von zwei im wesentlichen kegelförmigen Hälften des Gehäusekerns (15b) versehen ist.

12. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsmedium beim Austritt aus den Antriebstaschen (12) in Folge seiner radialen Beschleunigung nach außen bewegt und erneut Energie auf das Turbinenrad (10) über einen auf dem Turbinenrad (10) montierten Schaufelkranz (13) überträgt.

13. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenrad (10) derart im Turbinengehäuse (15) angeordnet ist, daß es selbständig durch die äquidistante Folge der Antriebstaschen (12) das Öffnen und annähernde Verschließen der Auslaßöffnungen (25) bewirkt.

14. Turbine nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkanäle (19) im Turbinengehäuse (15) und die Antriebstaschen (12) auf dem Turbinenrad (10) in mehreren Reihen angeordnet sind.

15. Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung der Drehbewegung des Turbinenrades (10) auf eine koaxiale Welle über sich radial erstreckende, elastische Elemente erfolgt, welche die Welle mit dem Turbinenrad (10) verbinden.

16. Turbine, nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung elektrischer Energie im Innendurchmesser des Turbinenrades (10) ein ringförmiger, vorzugsweise segmentierter Erregermagnet (29, 36) angeordnet ist.

17. Turbine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Erregermagneten (29) Leiter (27), vorzugsweise parallel zur Achse des Turbinenrades (10), angeordnet sind.

18. Turbine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter in einem dielektrischen Isolator (26), beispielsweise in einem Vielfachkapillarrohr aus Keramik, angeordnet sind.

19. Turbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Isolator (26) eine Anordnung zum Kühlen enthält, wobei durch einen Teil der Kapillarbohrungen Kühlflüssigkeit geleitet wird.

20. Turbine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des dielektrischen Isolators (26) ein Kern aus weichmagnetischem Werkstoff angeordnet ist.

21. Turbine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Leiter (27) Hochtemperatur-Supraleiter sind.

22. Turbinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Turbinengehäuse (15) Zuführkanäle (19) vorgesehen sind, durch die das Turbinenrad (10) mit Betriebsmedien beaufschlagt wird, und wobei in den Zuführkanälen (19) ein abstimmbarer Hohlraumresonator (22) für das Betriebsmedium ausgebildet ist, in dem das Betriebsmedium Schwingungen in und entgegen der Austrittsrichtung ausführen kann, und wobei die Abstände zwischen zwei Antriebstaschen (12) derart gewählt sind, daß sich mit dem Schließen einer vorhergehenden Antriebstasche bereits die nächste Antriebstasche vor dem Querschnitt des Auslasses (25) des Turbinenrades (10) öffnet.

23. Turbine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Hohlraumresonators (22) auf die Betriebsdrehzahl der Turbine abgestimmt ist.

24. Turbine nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (22) kegelförmig mit einer sphärisch geformten Reflexionsfläche (24) auf der der Auslaßöffnung (25) abgelegenen Seite ausgebildet ist.