DE594930C - Verfahren zum Antrieb eines Laufrades mit Hilfe des Fuehrungsdruckes - Google Patents

Description

Bei fast allen ausgeführten Gas- und Dampfturbinenarten geschieht die Umsetzung der dem Treibmittel innewohnenden Energie in Antriebsenergie durch Umlenkung des Treibmittelstromes mit Hilfe von gekrümmten Schaufeln. Turbinen mit radialer Beschaufelung und von außen nach, innen gerichteter Beaufschlagung sind weniger gebräuchlich, weil die vorgeschlagenen Konstruktionen weniger wirtschaftlich arbeiten. Bei solchen Turbinen, bei denen der Treibmittelstrom an einem Punkt größeren Durchmessers in das Laufrad eintritt, als der Austritt erfolgt, ist bekannt, daß außer dem beabsichtigten Um-

Λ5 lenkuiigsdruck ein weiterer Druck, der aus dem radialen Weg des Treibmittels sich herleitet und nach Föppl (Technische Mechanik, 6. Band, §7) Führungsdruck genannt sei, atiftritt. Bekannt ist auch der Vorschlag zu einer Vorrichtung, in welcher ausschließlich dieser Führungsdruck als Drehkraft verwendet werden soll (s. Stodola, Dampfund Gasturbinen, Berlin 1924, Abb. 1061a nebst Text).

Während bis heute alle Versuche, eine wirtschaftliche Gasturbine nach dem Schaufelprinzip zu schaffen, durch die durch die Schaufeln bedingten Temperatur- und Festigkeitsschwierigkeiten gehemmt wurden, führte bei der Dampfturbine dieses Prinzip zu der heute allgemein üblichen Konstruktion, bei der zahlreiche Leit- und Laufschaufelkränze abwechselnd hintereinandergeschaltet werden. Hierdurch wird aber der Wirkungsgrad ungünstig beeinflußt, die technische Herstellung verursacht infolge der dadurch bedingten Größe der Maschine und der erforderlichen Genauigkeit der Ausführung hohe Kosten. Auch ist die Möglichkeit eines Maschinenschadens infolge der Empfindlichkeit der Teile verhältnismäßig groß., Die genannte im Stodola angeführte Vorrichtung kommt für die praktische Verwendung nicht in Frage, weil mit ihr, so wie sie beschrieben ist, die Ausnutzung des Führungsdruckes in technisch brauchbarer Form nicht möglich ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antrieb einer umlaufenden Kraftmaschine, bei der das Umlenkungsprinzip verlassen ist und in der das Treibmittel seine Energie an ein Laufrad abgibt, welches als mechanisches Kraftübertragungsmittel düsenartige, radial vom Umfang nach der Mitte verlaufende, zum Radius symmetrische Kammern besitzt. Die Erfindung besteht darin, daß das gasförmige oder dampfförmige Treibmittel mittels fester Düsen am Umfang in ein düsenartige Kammern besitzendes Laufrad mit oder ohne Überdruck unter einem Winkel kleiner als 9 o° zum Umfang eingeleitet, durch die düsenartigen Kammern entgegen der Fliehkraft nach der Mitte des Laufrades zu, gegebenenfalls unter Entspannung, weitergeführt und sodann aus dem Laufrad abgeleitet wird.

Die Umsetzung der Treibmittelenergie in Antriebsenergie erfolgt derart, daß das mittels der festen Einleitungsdüsen dem Laufrad zugeführte Treibmittel vermöge der ihm bei der Einleitung innewohnenden Energie in den düsenartigen Kammern des Laufrades Arbeit entgegen der auf es selbst wirkenden Fliehkraft leistet. Diese Arbeit setzt sich, sofern man von Reibungs- und Wärmeverlusten usw. ίο absieht, restlos in Antriebsleistung um. Gleichzeitig und ebenfalls restlos setzt sich zwangsläufig die dem Treibmittel bei Eintritt in das Laufrad innewohnende kinetische Drehenergie infolge seiner durch den Weg in zentripetaler Richtung bedingten Umlaufgeschwindigkeitsverringerung in Antriebsleistung um. Die Antriebsleistung der kinetischen Drehenergie ist eine zwangsläufige Folge der Arbeit des Treibmittels entgegen der Fliehkraft und wäre ohne diese nicht möglich. Die Antriebskräfte (Führungsdruckkräfte) werden von den Wänden der radial verlaufenden, düsenartigen Kammern des Laufrades aufgenommen. Die Abgabe der Antriebskraft an das Laufrad kommt also ohne Umlenkung des Treibmittels relativ zum Laiifrad zustande.

Ausschlaggebend dafür, daß der Prozeß der Energieumsetzung sich in wirtschaftlicher Weise abspielt, so daß die Maschine praktische Bedeutung erlangen kann, ist eine Gestaltung der Laufraddüsen, die genau den aus dem Gegeneinanderwirken der Treibmittelenergie und der Fliehkraft sich, ergebenden Ztistandsverhältnisseii des Treibmittels Rechnung trägt. Hierfür ist es erforderlich, die Strömungsverhältnisse in jedem einzelnen Querschnitt der radialen Kanäle zu ermitteln. Dies muß ausgehend von der für die Dynamik des Führungsdruckes grundlegenden Differentialgleichung

dP = dm ■

dR

dq>

geschehen. Die nähere mathematische Untersuchung hierüber führt zu dem Ergebnis, daß die Formgebung der radialen Kammern des Laufrades sich nach den gleichen Grundsätzen zu richten hat, die in Theorie und

go Praxis für den Bau von Düsen gelten.

Eine dieser Art der Ausnutzitng des Führungsdruckes dienende umlaufende Kraftmaschine, wie sie beispielsweise in beiliegender Zeichnung in zwei senkrechten, recht winklig zueinander stehenden Schnitten schematisch veranschaulicht wird, ist folgendermaßen eingerichtet:

Das Laufrad R besitzt eine größere Zahl der radialen, düsenartigen Kammern K, weleben man einen nach, der Mitte zu im erforderlichen Sinn verlaufenden Querschnitt gibt. Um das Laufrad herum liegt beispielsweise ein Leitspiralengehäuse S in ähnlicher Form, wie bei gewissen Wasserturbinen gebräuchlich. Die Einleitungsorgane L, die ebenfalls Düsen vorstellen und fest oder verstellbar im Zusammenhang mit dem Leitgehäuse stehen, können das Treibmittel in jedem beliebigen Winkel kiemer als 90° zum Umfang, je nach Ausführungsform und Art des Energieprozesses, dem Laufrad zuführen. Die Beaufschlagung erfolgt voll, d. h. in einem geschlossenen Ring. Die Herausleitung des Treibmittels aus dem Laufrad erfolgt seitlich zunächst der Welle bei d.

Die Einleitung des Treibmittels kann mit oder ohne Überdruck erfolgen. Geschieht sie ohne Überdruck, dann ist es allein die dem Treibmittelstrom bei Eintritt in das Laufrad innewohnende kinetische Energie, die dieses entgegen der bei der Drehung des Laufrades zur Wirkung kommenden Fliehkraft in die Laufraddüsen hinein- und dort weiterführt. Um in diesem Falle bis zum Mittelpunkt zu gelangen, muß das Treibmittel theoretisch mindestens unter einem Winkel von 45° in das Laufrad eingeleitet werden, d.h. es müssen die tangentiale und die radiale Einleitungsgeschwindigkeitskomponente einander gleich groß und die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades gleich der tangentialeii Einleitungsgeschwindigkeitskomponente sein.

In den weitaus meisten Fällen kommt eine Einleitung des Treibmittels mit Überdruck in Frage. Hierbei kann der Einleitungswinkel kleiner als 45⁰ zum Umfang sein, gegebenenfalls nur wenige Grade zum Umfang besitzen. In diesem letzten Fall würde beispielsweise das Treibmittel nahezu tangential an das Laufrad herangeführt werden. Um hierbei χ_Οο in das Laufrad eindringen zu können, muß die dem Treibmittel innewohnende Spannungsenergie die Überwindung der Fliehkraft besorgen. Das Treibmittel expandiert hierbei in die umlaufenden Düsen hinein. Aus praktischen Gründen wird man die Maschine so einrichten, daß der Anfang der Expansion nach den Einleitungsdüsen verlegt ist. Einleitungsdüsen und Laufraddüsen sind zweckmäßig so durchzubilden, daß sie sich hin- no sichtlich des Treibmittelstromes in ihrer Wirkung gegenseitig zu einer einzigen regelrechten Düse ergänzen, d.h. es bestehen gewissermaßen Düsen, die in einen feststehenden und in einen umlaufenden Teil zerfallen. Die ng Eintrittsöffnungen der Laufraddüsen müssen demgemäß denselben Querschnitt erhalten wie die Austrittsöffhtcngen der ihnen gegenüberliegenden Einleitungsdüsen. Die Expansion setzt sich in den Laufraddüsen mehr oder weniger weit fort. Hier erfolgt dann die Abbremsung des Treibmittelstromes durch die

Fliehkraft :Und dadurch: - die Umsetzung der Treibmittelenergie "irr Antriebsenergie, Es überlagern sich hierbei gewissermaßen in den Laufraddüsen die Abnahme der Geschwindigkeit des Treibmittels durch, die Bremswirkung der Fliehkraft und die Zunahme der Geschwindigkeit infolge Expansion. Im Grenzfall können beide Einflüsse gegenseitig ausgeglichen sein, so daß die Geschwindigkeit des

ίο Treibmittels auf dem ganzen Weg durch das Laufrad gleich groß bleibt. Es kann auch, in ein und demselben Laufrad Druck- und Geschwindigkeitsenergie gleichzeitig' in Antriebsenergie umgesetzt werden, wenn z. B.

das Treibmittel in beiden Energieformen gleichzeitig in das Laufrad eingeleitet würde. Das beschriebene Verfahren wird am vorteilhaftesten ausgenutzt, wenn die Laufraddüsen einen möglichst großen Teil des Laufraddurchmessers ausmachien, da dann die mit der Abströmung um die Mitte verbundenen Verluste verhältnismäßig am geringsten sind.

Die Vorteile des Verfahrens treten um so

mehr in Erscheinung, je höher man mit der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades geht, da die Fliehkraft mit dem Quadrat der Umlaufgeschwindigkeit wächst und damit in gleichem Maße sich die Konzentration des Energieprozesses steigert und ein sehr hohes Druckgefälle des Treibmittels mit verhältnismäßig wenigen Stufen zu beherrschen ist. Da es sich mit Rücksicht auf die gebotenen Grenzen der praktischen Ausführung der Maschine nicht empfiehlt, die gesamte Energie des Treibmittelstromes in einem einzigen Laufrad aufzubrauchen, liegt es nahe, mehrere Stufen ztu" Energieumwandlung zu verwenden. Es steht im Belieben des Konstrukteurs, die Umsetzung von Druck- oder Geschwindigkeitsenergie nach Zweckmäßigkeit verschiedenen Stufen zuzuweisen.

Dem Spaltverlust begegnet man in der üblichen Weise durch. Abkapselung des Laufrades (s. Fig. 1).

Einen Verlust bedeutet auch die kreisende Bewegung des Treibmittels am Austritt. Vermieden wird dieser Verlust dadurch, daß man den Laufraddüsenwänden, die den Führungsdruck aufnehmen, am Austritt aus dem Lauf- rad eine geeignete Krümmung entgegen dem Drehsinn gibt. Durch, diese Krümmung wird der Treibmittelstrom so umgelenkt, daß er bei seinem Austritt aus den Laufraddüsen keine oder nur mehr eine kleine Umlaufgeschwindigkeit besitzt. Die Drehkomponente des Treibmittelstromes, welche ohne die Krümmung vorhanden wäre, geht atif diese Weise nicht verloren, sondern wird nutzbar in Antriebsenergie umgesetzt.

Die Atisnutzung des beschriebenen Verfahrens in einer dementsprechend konstruierten Maschine vermittelt eine Reihe erheblicher Vorteile.

ι. Im Gegensatz zur heute üblichen Dampfturbine, bei welcher der Dampfstrom je nach Laufradzahl unter verhältnismäßig großen Verlusten häufig umgelenkt werden muß, ist bei der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden 'Kraftmaschinen die Bahn und die Arbeit des Treibmittelstromes, kontinuierlich gestaltet. Hierdurch ist eine' bedeutende Herabsetzung der Reibungs-, Stoß- und Wirbelverluste, d.h. der mechanischen Dampfenergieverluste des Treibmittels, zu erwarten. Auch die Spaltverluste verringern sich naturgemäß gegenüber denen der üblichen Turbinen erheblich.

2. Im Vergleich zu den üblichen Dampfturbinen mit ihrer Ineinanderschachtelung vieler mit einer Unmenge feingliedriger Schaufeln versehenen Leit- und Laufräder und der damit verbundenen Empfindlichkeit besitzt der Laufradkörper der der Erfindung zugrunde Hegenden Maschine einen denkbar einfachen und konstruktiv leicht zu beherrsehenden Aufbau. Umlaufende Düsen sind unempfindlichere und widerstandsfähigere Konstruktionselemente als die heute üblichen Beschaufelungen.

Von einschneidender Bedeutung ist dieses Moment hinsichtlich des Baues einer praktisch brauchbaren Gasturbine insofern, als mit dem Wegfall von Schaufeln als Kraftübertragungsglieder und der Einführung von ■umlaufenden Düsen eine Reihe ganz neuer Voraussetzungen und konstruktiver Möglichkeiten zur Beherrschung der Temperatur- und Festigkeitsschwierigkeiten entstehen.

3. Im Gegensatz zu bekannten in der Praxis eingeführten Turbinen, die nur in einer Drehrichtung laufen können, ist der Lauf vorliegender Kraftmaschine in beide Drehrichtungen leicht umsteuerbar. Die Möglichkeit hierzu ist durch das Prinzip der zum Radius symmetrischen Laufraddüsen gegeben.

• Die Umsteuerung erfolgt dadurch, daß man den Einleitungsdüsen eine auf Gegendrehung eingestellte Lage gibt. In der Umsteuerbarkeit liegt für manche Verwendungsgebiete, z. B. Schiffsmaschinenbau, ein bedeutsamer Vorteil.

4. Im Gegensatz zu den üblichen Dampfturbinen, bei denen zur Bewältigung der heute praktisch in Frage kommenden großen Einheitenleistungen immer eine Anzahl Lauf räder für eine Stufe notwendig wird, sind mit der der Erfindting zugrunde liegenden Maschine die gleichen Stufenleistungen mit einem einzigen Latifrad zu beherrschen. So liegt z. B. bei 3000 Umdr./Min. und 4oom/Sek. Umfangsgeschwindigkeit die Leistungsgrenze 'eines einzigen Laufrades im Bereich von

5OOOO PS. Mit Hilfe vorliegender Kraftmaschine gelingt es also, die Konzentration, der Energieumwandlung viel weiter, als bisher möglich, zu steigern.

5. Die Konzentration der Energieumwandlung ist abhängig von der aus Festigkeits.-gründen erreichbaren Umfangsgeschwindigkeit. Diese liegt bei vorliegender Kraftmaschine erheblich höher als bei den üblichen Schaufelturbinen, da der Laufradkörper seiner Form nach einem Körper gleicher Festigkeit ähnelt und daher für höchste Umfangsgeschwindigkeiten besonders geeignet ist. Hierdurch ergibt sich besonders für eine nach vorliegendem Prinzip zu bauende Gasturbine die Möglichkeit zur Erzielung eines hohen Wärme Wirkungsgrades.

6. Die selbst bei gesteigerten Temperaturen erreichbaren hohen Umfangsgeschwindigkeiten bieten günstige Voraussetzungen zum Bau von Höchstdruckstufen mit großem Druck- und Wärmegefälle, d.h. von Höchstdruckstufen mit — im Vergleich zu Höchstdruckstufen nach dem Schaufelprinzip — erhöhtem Wirkungsgrad, wobei zu berücksichtigen ist, daß die kontinuierliche Energieumsetzung in umlaufenden Düsen gerade bei einem hochverdichteten Treibmittel mit geringeren Verlusten verbunden ist, als dies bei Schaufehrädern der Fall ist.

7. Ein sehr erheblicher Vorteil vorliegender Kraftmaschine liegt in dem im Vergleich zu den üblichen Dampfturbinen geringen Materialaufwand, der zur Durchführung ihrer Konstruktion notwendig ist.

8. Bei vorliegender Kraftmaschine können unter Umständen die Einleitungsdüsen wegfallen. Das Treibmittel expandiert dann frei aus der Gehäusespirale, in der es sich unter Überdruck und im Umlauf befindet, in die Laufraddüsen hinein.

9. Ein Vorteil gegenüber den Turbinen mit Umlenkung des Treibmittels liegt auch in der Möglichkeit, den Strömungsverlauf in den

45. Laufrädern rechnerisch sehr genau erfassen zu können und die Gestaltung der Konstruktionsteile, Düsen usw. genau bestimmen zu können, während bei Umlenkung des Treibmittels die Verhältnisse meist nicht so übersichtlich sind.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Antrieb eines Laufrades mit Hilfe des Führungsdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige oder dampfförmige Treibmittel mittels fester Düsen am Umfang in ein düsenartige Kammern besitzendes Laufrad mit oder ohne Überdruck unter einem Winkel kleiner als 90⁰ zum Umfang eingeleitet, durch die düsenartigen Kammern entgegen der Fliehkraft nach der Mitte des Laufrades zu, gegebenenfalls unter Entspannung, weitergeführt und sodann aus dem Laufrad abgeleitet wird.

2. Umlaufende Kraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen Kammern des Laufrades radial vom Umfang bis an die Laufradwelle sich erstrecken und die in radialer Richtung verlaufenden Wände zwischen zwei Kammern die Angriffsflächen für den Führungsdruck bilden.

3. Umlaufende Kraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der in radialer Richtung verlaufenden düsenartigen Laufradkammern auf dem Wege vom Umfang nach der Welle des Laufrades entsprechend der zu verwirklichenden Geschwindigkeitsabnahme und gegebenenfalls der Entspannung, die das Treibmittel auf seinem Wege erfahren soll, -zunimmt.

4. Umlaufende Kraftmaschine nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen der Kammern des Laufrades denselben Querschnitt erhalten wie die Aiistrittsöffnungen der go ihnen gegenüberliegenden Düsen im Gehäuse.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen