DE4442215A1 - Turbomaschine ohne Leitschaufeln im Axialläufer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbomaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bisher bekannten Turbomaschinen bestehen aus einem Läufer (Rotor), der in einem, diesen Läufer umgebenden Gehäuse (Stator), drehbar gelagert ist. Die gebräuchlichen Bauformen dieser Läufer von Turbomaschine sind:

• a) Scheibenläufer, die einzelnen Laufschaufelkränze bei mehrstufigen Maschinen sind scheibenförmig aneinandergereit und fest untereinander und mit der Turbinenwelle verbunden.
• b) Trommelläufer, die einzelnen Laufschaufelkränze sind nebeneinander auf der Läufertrommel befestigt.

All diese bekannten Turbinenläufer sind technisch komplizierte Gebilde, die eine hohe Präzision infolge geringer vorhandener Toleranzen erfordern. Diese Turbomaschinenläufer unterliegen einer hohen Beanspruchung infolge Schwingungen, Radial- und Axialkräften, sowie Temperaturwechseln.

Ursächlich dafür ist, daß bei den bisher gebräuchlichen Turbomaschinen (Ausnahmen: Wasserturbinen, Dampfturbine-Ljungström) eine hohe Leistungsumsetzung bzw. ein hoher Wirkungsgrad nur durch die Verwendung von mehrstufigen Konstruktionen erreicht werden konnte, weil die Leistungsumsetzung in einer Stufe, wegen der zu geringen Wirkangriffsflächen des Arbeitsmediums im allgemeinen nicht ausreichend war. Aus diesem Grund wurden sehr komplizierte Konstruktionen notwendig, bei denen das Arbeitsmedium (z. B. Dampf) mittels zwischen den einzelnen Stufen angeordneter Leitschaufeln jeweils wieder umgelenkt wurde, um die nachfolgende Laufbeschaufelung im strömungstechnisch richtigen Winkel zu beaufschlagen.

Diese Konstruktionen sind auch hinsichtlich ihrer Abdichtung zwischen Hoch- und Niederdruckteil bzw. zwischen den einzelnen Stufen problematisch. Die Dimensionierung und das strömungstechnische Verhalten solcher Turbomaschinen erfordern einen hohen ingenieurtechnischen Aufwand bzw. Erfahrungsstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrer Bauweise unkompliziertere, strömungstechnisch weniger verlustbehaftete und damit technisch leichter zu beherrschende Turbomaschine mit höherem Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bis 8 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung einer Turbomaschine wird eine einstufige Axialturbine in folgender Weise realisiert:
Das Arbeitsmedium wird nicht wie bisher oft realisiert, abwechselnd über Leit- und Laufbeschaufelung im Zickzackweg in axialer Richtung durch die Maschine geführt. Die erfindungsgemäße Neuerung bezieht sich auf einen einstufigen Axialturbinenläufer, der vollummantelt ist und in seinem Inneren eine je nach Anwendungserfordernissen zu optimierende Anzahl von Einlaßkanälen für das Arbeitsmedium aufweist.

Diese Kanäle verlaufen alle parallel, ähnlich Gewindegängen mit einer nach Anwendungsfall zu dimensionierenden Steigung, die in Auslaßrichtung zunimmt bzw. einer Querschnittserweiterung oder -verengung (Überdruckturbine oder Verdichter).

Siehe hierzu Fig. 1, 2 und 3 mit folgenden Erläuterungen:

Fig. 1 und 2 stellen die Längs- und die Seitenansicht eines oben beschriebenen Turbinenläufers dar, wobei

• 1 mögliche Dichtflächen und Lauflagerungen
• 2 die Durchströmungskanäle, hier nur einer beispielhaft skizziert
• 3 Turboläufermantel
• 4 Turbomaschinenwelle
• 5 Stator
• 6 Arbeitsmediumeinlaß
• 7 Arbeitsmediumauslaß sind.

Fig. 3 stellt eine andere mögliche Längsansicht eines oben beschriebenen Turbinenläufers dar, wobei

• 1 mögliche Dichtflächen (Labyrinthdichtungen)
• 2 Turbinenläufermantel
• 3 Stator
• 4 ein beispielhafter Durchströmungskanal für das Arbeitsmedium
• 5 Turbinenwelle
• 6 Arbeitsmediumauslaß mit Übergang in den Stator
• 7 Arbeitsmediumeinlaß mit Übergang aus dem Stator
• 8 mögliche Lagerungen darstellen sollen.

Eine mögliche Bauweise eines solchen Turbomaschinenläufers ist die scheibenförmige Aneinanderreihung mehrerer Läufersegmente, um die je nach Anwendungsfall zu optimierenden Wirkangriffsflächen, Ablenkwinkel und Querschnitte zu erzielen.

Bei einem in dieser Weise konstruierten Läufer wird im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinenläufern der hohe Leistungsumsatz nicht durch die Aneinanderreihung mehrere Tubinenstufen erreicht. Diese Konstruktion stellt eine einzelne Turbinenstufe dar, die ihren Leistungsumsatz durch eine auf den Anwendungsfall zu optimierende Anpassung der Laufschaufellänge, d. h. Läuferlänge bzw. Durchströmungskanalsteigung und -querschnitt erzielt.

Weitere Vorteile dieser Konstruktion sind:

• - geringere Strömungsverluste, weil keine Umlenkung des Arbeitmediums über Leitschaufeln
• - geringere Spaltverluste, weil geringere Dichtflächen
• - günstigeres schwingungstechnisches Verhalten, weil keine freistehenden Turbinenschaufeln vorhanden sind
• - je nach Bauart größere Laufruhe
• - besserer Maschinenwirkungsgrad
• - kompaktere Bauform

Claims (8)

1. Erstreckt sich auf alle Turbomaschinenarten, die in ihrem Rotor die Leistungsumsetzung durch eine Drehbewegung mittels eines in axialer Richtung durchströmenden Arbeitsmediums, in einstufiger, nachfolgend beschriebenen oder ähnlichen Bauweise erzielen: dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rotor eine ummantelte, parallele Anordnung mehrere Durchströmungskanäle darstellt, die in axialer, gewindegangähnlicher Richtung mit zum Auslaß zunehmender Steigung durch den Rotor verlaufen.

2. Turbomaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmungskanäle je nach Anwendungsfall hinsichtlich ihrer Länge, ihres Steigungswinkels durch den Rotor und ihres Querschnittes zu optimieren sind.

3. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzeln betrachteter Durchströmungskanal entspricht einer bisher bekannten beliebig verlängerten Laufschaufel.

4. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß keine Umlenkung des Arbeitsmediums mittels Leitschaufeln realisiert wird.

5. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzeln betrachteter Turbinenläufer nur eine einzige Stufe darstellt.

6. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige, nach Anwendungsfall zu optimierende Querschnittsverengung bzw. -erweiterung der Durchströmungskanäle innerhalb des Turbinenläufers zum Zwecke der Erzeugung einer Druckdifferenz des Arbeitsmediums zwischen Ein- und Auslaß der Turbomaschine realisiert wird.

7. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beliebige nach Anwendung zu optimierende Anordnungen in den Durchströmungskanälen realisiert sind zur Erzeugung einer Düsenwirkung auf das Arbeitsmedium.

8. Turbomaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzielung von Wirkleistungen bei dieser Konstruktion nicht durch die Aneinanderreihung von mehreren Turbomaschinenstufen erzielt wird, sondern durch eine Verlängerung der Durchströmungskanäle, d. h. Verlängerung des Rotors, bzw. Vergrößerung des Rotordurchmessers.