-
Die
Erfindung betrifft Verbesserungen von radialen Strömungsmaschinen,
vom Typ mit mindestens einer zentripetalen Radialturbine, welche
einen Rotor aufweist, der in einem Gehäuse drehbar um eine Rotationsachse
montiert ist, wobei der Rotor eine Scheibe aufweist, die um ihre
mit der Rotationsachse zusammenfallende Achse drehbar und an einer
Seite, die relativ zur Umlaufrichtung eines in die Turbine eingeleiteten
Fluids stromab gelegen ist, mit Schaufeln versehen ist.
-
Zentripetale
radiale und radial-axiale Turbinen nach dem Stand der Technik weisen
allgemein, stromauf nach stromab, eine Speiseschnecke, einen glatten
Verteiler (das heißt
ohne Schaufeln) mit festen Wänden
sowie einen zentripetalen radialen Rotor mit Schaufeln oder einen
radial-axialen Rotor, wobei der Auslasskanal im Rotor zunächst in
radialer und anschließend
in axialer Richtung verläuft,
und einen glatten und allgemein in axialer Richtung ausgerichteten
Auslassdiffusor auf.
-
In
einer Ausbildung mit geringem Hauptspant einer solchen Turbine weist
die Turbine nach einer bekannten Variante keine Speiseschnecke auf und
die Speisung wird mithilfe eines axial-radialen zentripetalen Kanals,
der um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist,
gewährleistet. Nach
einer weiteren bekannten Variante ist ein Schaufelverteiler zwischen
der Speiseschnecke oder dem axial-radialen Speisekanal und dem glatten
Verteiler angeordnet, siehe zum Beispiel Dokument CH-A-41 650.
-
Ferner
weist die Rotorscheibe im Zulaufbereich deutliche bogenförmige Aussparungen
oder Zweiecke zwischen den Schaufeln auf, wodurch eine Reduzierung
der Beanspruchungen im Rotor sowie seiner Trägheit ermöglicht wird.
-
Diese
bekannten radialen zentripetalen und radial-axialen Turbinen weisen
die folgenden Nachteile auf. Ihr glatter Verteiler besitzt ein Radiusverhältnis (Außenradius/Innenradius),
das im Allgemeinen größer als
1,1 ist, sodass die Erosion der Hinterkanten der Schaufeln des Schaufelverteilers
begrenzt wird, wobei diese Erosion auf das Zentrifugieren der Partikel
zurückzuführen ist.
Bei fehlendem Schaufelverteiler ist das Radiusverhältnis des
glatten Verteilers sehr wichtig, da dieses Radiusverhältnis das
Beschleunigen des Fluids bedingt. Da die Geschwindigkeit des Fluids
am Ausgang des glatten Verteilers hoch ist, die Strömungslinien
lang sind, die Reibungszahl nicht vernachlässigbar und der hydraulische
Durchmesser gering ist, können
die durch Viskosität
bedingten Abschaltdruckverluste im glatten Verteiler signifikant
sein.
-
Andererseits
sind die Verluste durch Reibung im Rotor und insbesondere im Bereich
seiner Aussparungen ebenfalls nicht vernachlässigbar, da die zu betrachtende
Reibungsgeschwindigkeit die Fließgeschwindigkeit relativ zum
festen Gehäuse
ist, d.h. eine Geschwindigkeit im Bereich der Rotationsgeschwindigkeit
des Rotors.
-
Im
Bereich des Auslasses und insbesondere bei einem nicht adaptiven
Betrieb (außerhalb
des Nominalpunkts) ermöglicht
der axiale Auslassdiffusor darüber
hinaus nicht die Umwandlung der tangentialen kinetischen Energie
in Druck. Dies wird durch die Verwendung eines radialen Auslassdiffusors
mit festen Wänden
ermöglicht.
Im letztgenannten Fall werden die Druckgewinne, die man durch die
Verwendung eines solchen Elements theoretisch erhalten könnte, jedoch
durch die Tangentialreibung stark reduziert.
-
Ein
Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung des globalen Wirkungsgrads
dieses Typs von Strömungsmaschinen, indem
ihr Zulauf und vorzugsweise, oder alternativ, ihr Auslass perfektioniert
werden.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, in einer solchen radialen
Strömungsmaschine
einen Zentrifugalverdichter mit der zentripetalen Turbine nach der
Erfindung zu kombinieren, um eine Turboverdichter-Baugruppe zu erhalten,
deren Zuläufe und/oder
Auslässe
jeweils perfektioniert sind, sodass der globale Wirkungsgrad der
so erhaltenen Turboverdichter-Baugruppe bezogen auf ähnliche
Baugruppen nach dem Stand der Technik verbessert wird, insbesondere
indem der axiale Platzbedarf einer solchen Baugruppe auf Kosten
einer begrenzten Steigerung des Hauptspants sowie des Gewichts und
der Komplexität
der Struktur einer solchen Turboverdichter-Baugruppe begrenzt wird.
-
Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Strömungsmaschine mit zentripetaler
radialer Turbine und eventuell einem radialen Zentrifugalverdichter vorzuschlagen,
die durch den Einsatz zweidimensionaler Bearbeitungstechniken mikroelektronischen Typs
hergestellt werden kann.
-
Der
von der Erfindung angestrebte Anwendungsbereich betrifft im Wesentlichen
Mikroturbinen, insbesondere vom Typ derer, die für die Herstellung von Antriebs-Hilfsaggregaten
für Luftfahrzeuge
oder für
den Antrieb von Fluggeräten
ohne Pilot, wie etwa Mikrodronen, eingesetzt werden.
-
Hierzu
schlägt
die Erfindung eine Strömungsmaschine,
umfassend eine zentripetale radiale Turbine vom oben dargestellten
Typ, vor, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die zentripetale
Turbine durch einen radialen, glatten, koaxial zum Turbinenrotor
frei drehenden und den Turbinenrotor umgebenden Speiseverteiler
mit Fluid beschickt wird.
-
Ein
wesentlicher durch den radialen, glatten und frei drehenden Verteiler
ermöglichter
Vorteil besteht darin, dass durch ihn die Verluste durch Reibung
an den Wänden
dieses Elements sehr deutlich reduziert werden können, da die kinetische Energie des
Fluids in der mit den Wänden
verbundenen Bewegung weitestgehend durch einen Faktor 4 dividiert wird.
In gleicher Weise ermöglicht
das Vorhandensein der drehbaren Scheibe des Verteilers im Bereich
der Zweiecke des Rotors, die Verluste durch Reibung des Fluids am
festen Gehäuse
zu reduzieren, da die kinetische Energie des Fluids in der mit den
Wänden
verbundenen Bewegung ebenfalls durch einen Faktor 4 dividiert wird.
-
Um
die Leistungsfähigkeit
zu verbessern, umfasst die Strömungsmaschine
der Erfindung ebenfalls und vorteilhafterweise mindestens einen radialen
Zentrifugalverdichter, welcher einen zum Rotor der Turbine koaxialen
und mit dem Turbinenrotor um die Rotationsachse drehfest verbundenen
Rotor im Gehäuse
aufweist, wobei der Rotor des Verdichters eine zur Scheibe des Rotors
der Turbine koaxiale drehbare Scheibe aufweist, die stromauf relativ
zur Umlaufrichtung eines in den Verdichter eingeleiteten Fluids
mit Schaufeln versehen ist, die das Fluid in Richtung eines glatten,
radialen und koaxial zum glatten, radialen und frei drehbaren Einlassverteiler
der Turbine frei drehbaren Auslassdiffusors verdichtet, wobei der
Auslassdiffusor des Verdichters den Rotor des Verdichters umgibt
und von einer Schnecke zur Fortsetzung der Fluidableitung umgeben
ist, welche mit einer Fluidspeiseschnecke, die den Einlassverteiler
der Turbine umgibt, für
deren Speisung über
den genannten Einlassverteiler verbunden ist.
-
Die
Funktion des radialen, glatten Auslassdiffusors des Verdichters
besteht darin, einen Teil der durch das Fluid am Ende des Rads des
Verdichters erhaltenen kinetischen Energie durch Erhöhung des Radius
oder des Abstands vom jeweiligen Punkt zur Rotationsachse der Maschine
und durch Beibehaltung des kinetischen Moments, mit Ausnahme der Reibung
an den Wänden,
wobei diese Reibung aufgrund der frei drehenden Montage dieses radialen glatten
Diffusors reduziert wird, in einen Druckanstieg umzuwandeln. Durch
das Vorhandensein beweglicher Wände,
sowohl beim radialen, glatten Auslassverteiler des Zentrifugalverdichters
als auch beim radialen, glatten Einlassverteiler der zentripetalen
Turbine, können
die aerodynamischen Verluste durch Reibung zwischen dem Fluid und
den Wänden
in den beiden radialen, glatten Kanälen, von denen einer den Diffusor
und der andere den Verteiler durchquert, deutlich reduziert werden,
wobei diese aerodynamischen Verluste mit dem Vorhandensein eines
hohen kinetischen Moments sowohl auf der Verdichter- als auch auf
der Turbinenseite in Zusammenhang stehen.
-
Um
die Kompaktheit der Maschine zu verbessern und ihre Struktur zu
vereinfachen sowie um die aerodynamischen Verluste weiter zu reduzieren, sind
der glatte, radiale Auslassdiffusor des Verdichters und der glatte,
radiale Einlassverteiler der Turbine vorteilhafterweise als eine
einheitliche Baugruppe ausgebildet, die koaxial zu den Rotoren der
Turbine und des Verdichters frei drehbar gelagert ist.
-
Bei
dieser Architektur ist es vorteilhaft, dass die frei drehbare Baugruppe
eine Zwischenscheibe umfasst, die zwischen den Scheiben der Rotoren
der Turbine und des Verdichters um eine gemeinsame Hauptwelle frei
drehbar montiert ist, durch die die um die Rotationsachse drehbar
gelagerten Scheiben der Rotoren der Turbine und des Verdichters
drehfest verbunden werden. Somit werden die Verluste durch Reibung
im Bereich der Scheiben der Rotoren aufgrund des in Drehung Versetzen
der Zwischenscheibe zwischen den Scheiben der Rotoren der Turbine und
des Verdichters ebenfalls reduziert.
-
In
einer auf vorteilhafte Weise einfachen und effizienten Ausführungsstruktur
wird der glatte, radiale und frei drehbare Auslassdiffusor des Verdichters durch
einen radialen Kanal durchquert, der durch zwei glatte, einander
gegenüberliegende
und um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Wände begrenzt
wird, wobei eine von diesen eine Wand einer stromabwärtige Scheibe
ist, die koaxial zum Rotor des Verdichters angeordnet sowie frei
und vom Rotor des Verdichters unabhängig um die Rotationsachse
drehbar gelagert ist, und die andere Wand des Kanals eine Wand eines
stromaufwärtigen Rings
ist, der koaxial zum Rotor des Verdichters angeordnet und mit der
stromabwärtigen
Scheibe des genannten Auslassdiffusors durch weitestgehend axiale
Stege in weitestgehend radialer Außenposition relativ zur Rotationsachse
an dem genannten stromaufwärtigen
Ring und an der genannten stromabwärtigen Scheibe drehfest verbunden
ist.
-
Diese,
an sich bekannte Struktur eines Zentrifugalverdichters und seines
radialen, glatten und um die Rotationsachse des Rotors des Verdichters frei
drehbaren Auslassdiffusors kann auf die Herstellung der zentripetalen
Turbine und ihres radialen, glatten und um die Rotationsachse des
Rotors der Turbine frei drehbaren Einlassverteilers in einer Strömungsmaschine
nach der Erfindung angewendet werden, um den globalen Wirkungsgrad
weiter zu verbessern.
-
Dementsprechend
wird der glatte, radiale und frei drehbare Einlassverteiler der
Turbine nach der Erfindung vorteilhafterweise durch einen radialen Kanal
durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende
und um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Wände begrenzt
wird, wobei eine von diesen eine Wand einer stromaufwärtigen Scheibe
ist, die koaxial zum Rotor der Turbine angeordnet sowie frei und
vom Rotor der Turbine unabhängig
um die Rotationsachse drehbar gelagert ist, und die andere Wand
des Kanals eine Wand eines stromabwärtigen Rings ist, der koaxial
zum Rotor der Turbine angeordnet und mit der stromaufwärtigen Scheibe
des genannten Einlassverteilers durch weitestgehend axiale Stege
in weitestgehend radialer Außenposition
relativ zur Rotationsachse an dem genannten stromabwärtigen Ring
und der stromaufwärtigen
Scheibe drehfest verbunden ist.
-
Sowohl
beim Diffusor des Verdichters als auch beim Verteiler der Turbine
nimmt die bewegliche, frei drehbare Ausrüstung, die aus einem Ring, einer
entsprechenden Scheibe und Stegen, durch welche sie drehfest verbunden
werden, besteht, eine Rotationsgeschwindigkeit an, die dem Gleichgewicht zwischen
einem Antriebsmoment, das mit dem Antrieb durch das Fluid in dem
radialen Kanal des Auslassdiffusors oder des Einlassverteilers und
durch das zwischen den Wänden
der Scheibe der betrachteten beweglichen Ausrüstung und der Scheibe des entsprechenden
Rotors, des Verdichters oder der Turbine, festgesetzte Fluid verbunden
ist, und einem Widerstandsmoment, welches auf die Bremsung durch
das zwischen dem entsprechenden Ring und der gegenüber liegenden
Wand des festen Gehäuses
der Maschine festgesetzte Fluid zurückzuführen ist, entspricht.
-
Vorteilhafterweise,
wenn die Architektur mit frei drehbarer, durch Stege mit einem Ring
verbundener Scheibe, wie oben dargestellt, für den Auslassdiffusor des Verdichters
wie für
den Einlassverteiler der Turbine angewandt wird, ist es von Vorteil,
wenn die frei drehbare stromaufwärtige
Scheibe des radialen, glatten Einlassverteilers der Turbine und
die frei drehbare stromabwärtige
Scheibe des radialen, glatten Auslassdiffusors des Verdichters mit
der Zwischenscheibe der frei drehbaren Baugruppe drehfest verbunden
und vorzugsweise mit dieser Zwischenscheibe als ein Teil ausgebildet
sind. So werden die aerodynamischen Verluste durch Reibung zwischen Fluid
und Wänden
weiter reduziert und gleichzeitig die Kompaktheit der Maschine verbessert
sowie die Anzahl ihrer Komponenten, die einen Einsparfaktor darstellt,
reduziert.
-
Um
den globalen Wirkungsgrad der Maschine im Bereich der Turbine, die
eventuell mit einem Zentrifugalverdichter zusammenwirkt, weiter
zu verbessern, kann ein fester Flügelverteiler den glatten, radialen
und frei drehbaren Einlassverteiler der Turbine umgeben und selbst
von der Außenschnecke
zur Speisung der Turbine umgeben sein. Falls die Strömungsmaschine
einen Zentrifugalverdichter umfasst, dessen Rotor mit dem Rotor
der zentripetalen Turbine drehfest verbunden ist, kann der globale
Wirkungsgrad der Maschine im Bereich des Verdichters mithilfe eines
festen Flügeldiffusors,
der den glatten, radialen und frei drehbaren Auslassdiffusor des
Verdichters umgibt und selbst von der Außenschnecke zur Fortsetzung
der Fluidableitung umgeben ist, ebenfalls weiter verbessert werden.
-
Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung, gleich ob die Strömungsmaschine
einen Zentrifugalverdichter aufweist oder nicht, führt der
Rotor der zentripetalen Turbine das diese durchströmende Fluid
vorteilhafterweise einem radialen, glatten und koaxial zum Rotor
der Turbine frei drehbaren Auslassdiffusor im Gehäuse zu.
-
Vorteilhafterweise
kann dieser radiale, glatte und frei drehbare Auslassdiffusor der
Turbine dieselbe allgemeine Architektur wie der radiale, glatte
und frei drehbare Auslassdiffusor des Verdichters und der radiale,
glatte und frei drehbare Einlassverteiler der Turbine, wie oben
definiert, aufweisen. In diesem Fall wird der radiale, glatte und
frei drehbare Auslassdiffusor der Turbine ebenfalls durch einen
radialen Kanal durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende
und um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Wände begrenzt
wird, wobei eine von diesen eine Wand einer stromabwärtigen Scheibe
ist, die koaxial zum Rotor der Turbine angeordnet sowie frei und
vom Rotor der Turbine unabhängig
drehbar um die Rotationsachse montiert ist, zum Beispiel indem sie
mit einer sekundären
röhrenförmigen Welle
drehfest verbunden ist, die bei der Drehbewegung von mindestens
einem Lager um eine koaxial zum Auslassdiffusor der Turbine angeordnete
Nabe geführt
wird, und die andere Wand des Kanals eine Wand eines stromaufwärtigen Rings
ist, der koaxial zum Rotor der Turbine angeordnet und mit der frei
drehbaren stromabwärtigen
Scheibe des genannten Auslassdiffusors der Turbine durch weitestgehend
axiale Stege in weitestgehend radialer Außenposition an dem genannten
stromaufwärtigen Ring
und der genannten stromabwärtigen
Scheibe des genannten Auslassdiffusors der Turbine drehfest verbunden
ist.
-
Obwohl
ein radialer, glatter und frei drehbarer Diffusor schwieriger als
ein axialer, glatter und fester Auslassdiffusor herzustellen ist
und darüber
hinaus die Fortsetzung der Fluidableitung durch eine Außenschnecke,
welche den radialen, glatten und frei drehbaren Diffusor umgibt,
erfordert, bietet dessen Anpassung am Auslauf einer zentripetalen
Turbine gegenüber
der Anpassung eines axialen, glatten und festen Diffusors am Auslass
einer zentripetalen Turbine, wie nach dem Stand der Technik bekannt
ist, den Vorteil, dass neben einem vergrößerten axialen Platzbedarf
eine Reduzierung der tangentialen Geschwindigkeit im Stromabwärts-Richtung
und somit eine Erhöhung
des statischen Drucks, die stärker
als bei einem axialen Diffusor sind, ermöglicht werden, sodass insbesondere
das Moment an der Turbinenwelle in einer Anlaufphase erhöht und die
Reaktionszeit reduziert werden. Der radiale Auslassdiffusor der Turbine
ermöglicht
somit die Verwertung eines größeren Teils
der kinetischen Energie des Fluids als bei einem axialen Diffusor,
wodurch der Wirkungsgrad der Turbine erhöht und eine höhere Leistung
an deren Welle erhalten werden können.
Darüber
hinaus bietet die Verringerung der tangentialen Geschwindigkeit
in einem radialen, glatten Auslassdiffusor der Turbine und die nachfolgende
Aufnahme des Fluids durch eine Außenschnecke den deutlichen
Vorteil, dass im Gegensatz zur Situation bei einem axialen, glatten
Diffusor, bei dem die Konzentration einer kreisförmigen Strömung in der Nähe der Rotationsachse
der Maschine in diesem Bereich zu einem bewegungslosen Fluidkern
und instationären
Erscheinungen, die auf die Scherkräfte zwischen dem bewegungslosen
Fluid und dem bewegten Fluid zurückzuführen ist,
was zu einem nicht zu vernachlässigenden Schallpegel
führt,
eine geräuscharme
Strömung
erzielt wird. Nach der Erfindung steigert die frei drehbare Montage
des radialen, glatten Auslassdiffusors der Turbine weiter die Vorteile
der Maschine, da die Reibungen zwischen dem Fluid und den Wänden dieses Diffusors
reduziert werden, sodass der Wirkungsgrad und Leistung der zentripetalen
Turbine bei nicht adaptivem Betrieb und insbesondere beim Anlaufen weiter
erhöht
werden und der Schallpegel weiter verringert wird, was auf die Absenkung
des Wirbelniveaus im Diffusor zurückzuführen ist.
-
Falls
die Maschine einen Zentrifugalverdichter, wie oben dargestellt,
umfasst, wird der globale Wirkungsgrad weiter verbessert, indem
der Verdichter durch einen glatten, radialen und koaxial zum Rotor
des Verdichters frei drehbaren Verteiler im Gehäuse mit Fluid beschickt wird.
-
In
praktischer Weise kann dieser radiale, glatte und frei drehbare
Einlassverteiler des Verdichters mit der allgemeinen Architektur
des radialen Einlassverteilers der zentripetalen Turbine und der
radialen Auslassdiffusoren des Zentrifugalverdichters und der zentripetalen
Turbine, wie oben dargestellt, hergestellt werden. Insbesondere
kann der radiale, glatte und frei drehbare Einlassverteiler des
Verdichters durch einen radialen Kanal durchquert werden, der durch
zwei glatte, einander gegenüberliegende und
um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Wände begrenzt
wird, wobei eine von diesen eine Wand einer stromaufwärtigen Scheibe ist,
die koaxial zum Rotor des Verdichters angeordnet sowie frei und
vom Rotor des Verdichters unabhängig drehbar
um die Rotationsachse montiert ist, zum Beispiel indem sie mit einer
tertiären röhrenförmigen Welle
drehfest verbunden ist, die bei der Drehbewegung von mindestens
einem Lager um eine koaxial zum genannten Einlassverteiler des Verdichters
angeordnete Nabe geführt
wird, und die andere Wand des Kanals eine Wand eines stromabwärtigen Rings ist,
der koaxial zum Rotor des Verdichters angeordnet und mit der frei
drehenden stromaufwärtigen Scheibe
des genannten Einlassverteilers des Verdichters durch weitestgehend
axiale Stege in weitestgehend radialer Außenposition an dem genannten stromabwärtigen Ring
und der genannten stromaufwärtigen
Scheibe des genannten Einlassverteilers des Verdichters drehfest
verbunden ist.
-
Dieser
radiale, glatte und frei drehbare Verteiler für die Speisung des Verdichters
wird durch das Reibungsmoment in Drehung versetzt, das auf ein kinetisches
Moment im Fluid, das diesen radialen Verteiler durchströmt, zurückzuführen ist,
dessen Gleichgewichts-Rotationsgeschwindigkeit für das Gleichgewicht zwischen
dem oben genannten Reibungs-Antriebsmoment
und einem Reibungs-Widerstandsmoment, das durch das zwischen den
gegenüber
liegenden Seiten der stromaufwärtigen
Scheibe und des stromabwärtigen
Rings dieses Verteilers einerseits und dem Gehäuse andererseits eingeschlossene
Fluid erzeugt wird, erhalten wird. Durch die freie Drehung dieses
radialen, glatten Verteilers können
die aerodynamischen Verluste in diesem Bereich der Maschine reduziert
werden.
-
Vorteilhafterweise
ist dieser radiale, glatte und frei drehbare Verteiler für die Speisung
des Verdichters ebenfalls durch einen festen radialen Verteiler
mit verstellbaren Schaufeln oder mit variabler Einstellung umgeben,
wenn man die Durchflussmenge und das Verdichtungsverhältnis der
Maschine, insbesondere bei Verdichtern von Klima- oder Kühlanlagen
verändern
möchte.
Denn es ist darauf hinzuweisen, dass der Zentrifugalverdichter,
wie oben definiert, vorzugsweise mit seinem radialen, glatten und frei
drehbaren Auslassdiffusor, und eine Außenschnecke zur Fortsetzung
der Fluidableitung, eventuell mit Zwischenschaltung eines festen
radialen Flügelverteilers,
der durch diese Schnecke umgeben ist und den radialen, glatten und
frei drehbaren Diffusor umgibt, und mit einem radialen, glatten
und frei drehbaren Einlassverteiler des Verdichters, dem eventuell ein
fester radialer Verteiler mit verstellbaren Schaufeln vorgeschaltet
ist, der den radialen, glatten und frei drehbaren Verteiler umgibt,
einen separat, unabhängig
von jeder zentripetalen Turbine nutzbaren Zentrifugalverdichter
darstellt, der gegenüber
den Zentrifugalverdichtern nach dem Stand der Technik eine originale
Struktur besitzt und gegenüber
diesen besonders bemerkenswerte Vorteile bietet. Ein solcher Zentrifugalverdichter,
wie oben definiert, stellt somit für sich eine Erfindung dar.
-
Wenn
die Strömungsmaschine
ein Turboverdichter mit radialem, glatten und frei drehbaren Auslassdiffusor
der Turbine und radialem, glatten und frei drehbaren Einlassverteiler
des Verdichters ist, können
die Rotoren der Turbine und des Verdichters über koaxiale Drehzapfen um
die Rotationsachse und zwischen den Naben des radialen, glatten
Auslassdiffusors der Turbine und des radialen, glatten Einlassverteilers
des Verdichters drehfest miteinander verbunden sein. Im Fall einer
Ausbildung als Gasturbine, bei der eine Nutzleistung an der Welle der
Turbine erhalten werden soll, können
die Rotoren der Turbine und des Verdichters jedoch mit der Nabe des
freien, radialen Auslassdiffusors der Turbine drehfest verbunden
werden, wobei diese Nabe des Diffusors koaxial um die Rotationsachse
drehbar im Gehäuse
mithilfe von mindestens einem zusätzlichen Lager montiert ist,
wohingegen die Rotoren der Turbine und des Verdichters und die drehbare
Nabe des radialen, glatten Auslassdiffusors der Turbine drehbar
an der festen Nabe des glatten, radialen Einlassverteilers des Verdichters
zum Beispiel mithilfe eines um die Rotationsachse koaxialen Drehzapfens
montiert sind.
-
Weitere
Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden,
nicht einschränkenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
bei denen:
-
1 eine
schematische Axialschnittansicht eines Turboverdichters mit radialen,
glatten und frei drehbaren Auslassdiffusoren und Einlassverteilern sowohl
für die
Turbine als auch für
den Verdichter ist,
-
1a eine
schematische Querschnittsansicht eines Details eines festen radialen
Verteilers mit verstellbaren Schaufeln des Turboverdichters aus 1 ist,
-
2 eine
zu 1 analoge Ansicht einer Strömungsmaschine gleicher Art,
die als Gasturbine eingesetzt wird, ist.
-
Die
radiale Strömungsmaschine
aus 1 ist ein Turboverdichter, bei dem eine radiale
zentripetale Turbine 1 und ein radialer Zentrifugalverdichter 2 in
einem gleichen Gehäuse,
das insgesamt mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnet ist,
kombiniert sind. Der Zentrifugalverdichter 2, stromauf
der zentripetalen Turbine 1 bezogen auf die Fließrichtung
der den Verdichter 2 und die Turbine 1 durchströmenden Fluide
(von stromauf, linke Seite in 1, nach stromab,
rechte Seite in 1), ist mit der zentripetalen
Turbine 1 durch eine Hauptwelle 4, mit der die Rotoren 5 bzw. 6 der
Turbine 1 und des Verdichters 2 drehfest verbunden
werden, mechanisch verbunden. Diese Rotoren 5 und 6 sind
koaxial um ihre gemeinsame Rotationsachse X-X, die die Achse der
Hauptwelle 4 und die Längsachse
der Maschine ist, angeordnet. Der Rotor 5 der Turbine 1 umfasst
eine Hauptscheibe oder ein zentripetales Rad 7, die/das stromab
mit Schaufeln 8 versehen ist und die/das um ihre mit der
Rotationsachse X-X zusammenfallende Achse rotationssymmetrisch ausgebildet
ist.
-
In
analoger Weise umfasst der Rotor 6 des Verdichters 2 eine
Hauptscheibe oder ein Zentrifugalrad 9, die/das stromauf
mit Verdichterschaufeln 10 versehen ist und die/das um
ihre mit der Rotationsachse X-X zusammenfallende Achse rotationssymmetrisch
ausgebildet ist. Die beiden Rotoren 5 und 6 sind
durch ihre Räder 7 und 9,
die über
ihre Nabe mit der Hauptwelle 4 verbunden sind, um die Achse
X-X drehfest verbunden.
-
In
bekannter Weise gewährleisten
die Schaufeln 10 des Zentrifugalrotors 6 eine
Energieübertragung
zwischen diesem Rotor 6 und dem in den Verdichter 2 eingeleiteten
Fluid, wobei dieser als Axial-Zentrifugalrotor bezeichnet werden
kann, wenn die Linie der Vorderkanten 11 der Schaufeln 10 des
Rotors 6 in einem axialen Teil des Fluidabflusskanals im Gehäuse 3 beginnt.
-
In
ebenfalls bekannter Weise gewährleisten die
Schaufeln 8 des zentripetalen Rotors 5 eine Energieübertragung
zwischen dem die Turbine 1 durchströmenden Fluid und dem Rotor 5 dieser.
-
Der
Zentrifugalverdichter 2 ist direkt Mitteln zur Speisung
und Mitteln zum Ableiten zugeordnet, die im Wesentlichen im Gehäuse 3 angeordnet
sind und von stromauf nach stromab einen festen radialen Verteiler 12 mit
verstellbaren Schaufeln oder Flügeln 13 (siehe 1a)
und einen radialen, glatten, drehbaren und freien Verteiler 14,
was die Mittel zur Speisung betrifft, sowie einen radialen, glatten,
drehbaren und freien Diffusor 15, dem eventuell ein fester
radialer Flügeldiffusor
(nicht dargestellt) nachgeschaltet ist, und eine Außenschnecke 16 oder
einen Kasten zur Fortsetzung der Ableitung für den Auslass des Verdichters 2 umfassen.
Der feste radiale Verteiler 12 umgibt den radialen, glatten
und frei drehbaren Verteiler 14, ebenso wie der radiale,
glatte und frei drehbare Diffusor 15 den Rotor 6 des
Verdichters 2 umgibt und selbst von der Außenschnecke 16,
eventuell mit Zwischenschaltung des festen radialen Flügeldiffusors
(nicht dargestellt), der, insofern er vorhanden ist, den Diffusor 15 umgibt
und von der Außenschnecke 16 umgeben
ist, umgeben ist.
-
In ähnlicher
Weise ist die zentripetale Turbine 1 direkt Mitteln zur
Speisung und Mitteln zum Ableiten zugeordnet, die im Wesentlichen
im Gehäuse 3 angeordnet
sind und von stromauf nach stromab für die Mittel zur Speisung eine
Schnecke 17 zur Fluidspeisung der Turbine 1 umfassen,
wobei diese Schnecke 17 mit der Schnecke 16 zur
Fortsetzung der Fluidableitung am Ausgang des Verdichters 2, zum
Beispiel über
eine Verbrennungskammer, über die
ein Brennstoff in ein durch den Verdichter 2 verdichtetes,
die Verbrennung bewirkendes Gas, wie etwa Luft, eingespritzt wird,
verbunden ist, sodass die Verbrennungsgase in der Schnecke 17 zur
Speisung der Turbine 1 gesammelt werden, deren Mittel zur Speisung
ebenfalls einen radialen, glatten und frei drehbaren Verteiler 18 umfassen,
der den Rotor 5 der Turbine 1 umgibt und selbst
durch die Außenschnecke 17 zur
Speisung umgeben ist, mit eventueller Zwischenschaltung eines festen
radialen Flügelverteilers
(nicht dargestellt) zwischen die Speiseschnecke 17 und
den Verteiler 18, der in diesem Fall durch den festen Flügelverteiler
umgeben ist, der selbst durch die Außenschnecke 17 umgeben
ist. Für
die Mittel zum Ableiten ist die Turbine 1 einem radialen, glatten
und frei drehbaren Diffusor 19 und einer äußeren Ausgangsschnecke 20,
durch die das Fluid am Ausgang der radialen Strömungsmaschine gesammelt wird
und die den Diffusor 19 umgibt, zugeordnet.
-
Die
radialen, glatten und frei drehbaren Diffusoren 15 und 19 am
Auslass des Verdichters 2 bzw. der Turbine 1 sowie
die radialen, glatten und frei drehbaren Verteiler 14 und 18 zur
Speisung des Verdichters 2 bzw. der Turbine 1 sind
alle koaxial um die Rotationsachse X-X angeordnet und frei drehbar
um diese Achse X-X montiert. Somit sind diese radialen, glatten
und frei drehbaren Verteiler 14 und 18 und Diffusoren 15 und 19,
die einerseits dem Verdichter 2 und andererseits der Turbine 1 zugeordnet
sind, koaxial zum Rotor 6 des Verdichters 2 und
zum Rotor 5 der Turbine 1 um diese Achse X-X angeordnet und um
dieselbe Achse, unabhängig
von entsprechenden Rotor 6 oder 5, drehbar.
-
Bei
genauerer Betrachtung der Struktur und der Funktionsweise des Turboverdichters
von stromauf nach stromab ermöglicht
der feste radiale Verteiler 12 mit verstellbaren Schaufeln 13 eine Änderung der
Durchflussmenge und des Verdichtungsverhältnisses. Die Schaufeln 13 dieses
festen Verteilers 12 sind variabel einstellbar, jeweils
um eine zur Achse X-X parallele Achse 21, in einem ringförmigen Kanal, der
koaxial um die Achse X-X angeordnet ist und zwischen zwei Wänden 22 des
Gehäuses 3 begrenzt wird,
die um die Achse X-X rotationssymmetrisch und kegelstumpfförmig, oder
flach und radial, wie auf 1, ausgebildet
sowie stromab einer durch die radialen Außenränder dieser Wände 22 gebildete
Verjüngung
fest angebracht sind.
-
Gegenüber einem
Schaufelverteiler mit axialem Kanal weist der radiale Verteiler 12 mit
verstellbaren Schaufeln 13 den Vorteil auf, dass lediglich zweidimensionale
Schaufeln 13 und flache Kanalwände 22 benötigt werden,
während
die Schaufeln eines Verteilers mit axialem Kanal eine dreidimensionale
Geometrie aufweisen und zwischen ringförmigen Wänden des Kanals montiert sind,
um Undichtheiten zwischen den Enden der Schaufeln und den gegenüber liegenden
Teilen des Gehäuses
zu minimieren. Bei einer gegebenen winkligen Einstellung der Schaufeln 13 kann
durch den festen Verteiler 12 ein kinetisches Moment erhalten
werden, dessen Stärke
die Leistungsfähigkeit
des Verdichters für
eine gegebene Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 6 dieses
Verdichters und eine festgelegte Durchlässigkeit des stromab des Rotors 6 gelegenen
Fluidkreislaufs bestimmt. Um die aerodynamischen Verluste zu minimieren
und somit der Wirkungsgrad und das Verdichtungsverhältnis des
Verdichters 2 zu verbessern, ist der feste Verteiler 12,
dessen Schaufeln 13 regelmäßig um die Kreislinie verteilt
sind (siehe 1a), vorteilhafterweise in einem
größtmöglichen
Radius um die Achse X-X angeordnet, der mit dem für den Turboverdichter
erwünschten
maximalen Hauptspant kompatibel ist, sodass die Höhe der Strömungsgeschwindigkeit
des in die Strömungsmaschine
eingeleiteten Fluids in diesem Verteiler 12 gering ist.
-
Stromab
des durch die verstellbaren Schaufeln 13 des festen Verteilers 12 gebildeten
Gitters wird das Fluid anschließend
in den radialen, glatten und frei drehbaren Verteiler 14 eingeleitet,
dessen nun beschriebene Architektur derjenigen des anderen radialen,
glatten und frei drehbaren Verteilers 18 und der anderen
radialen, glatten und frei drehbaren Diffusoren 15 und 19 ähnelt.
-
Im
Verteiler 14 durchströmt
das Fluid einen radialen ringförmigen
Kanal 23, der zwischen zwei glatten, einander gegenüberliegenden
und um die Rotationsachse X-X rotationssymmetrisch ausgebildeten
Wänden
begrenzt wird. Diese beiden glatten, nicht mit Schaufeln versehenen
Wände können kegelstumpfförmig oder,
wie in 1, flach und radial sein, wobei eine 24 von
ihnen die Wand stromab einer Haupt- oder stromaufwärtigen Scheibe 25 des Verteilers 14 ist,
wobei diese ringförmige
Scheibe 25 koaxial zum Rotor 6 des Verdichters 2 angeordnet und über ihren
inneren radialen Rand (bezogen auf die Rotationsachse X-X) mit einer
röhrenförmigen Welle 26 drehfest
verbunden ist, die koaxial zur Hauptwelle 4 angeordnet,
jedoch unabhängig
von dieser ist, und koaxial um die Rotationsachse X-X in einer seitlichen
Erweiterung des Gehäuses 3 an
Lagern wie 27, die Wälzlager
sind, von denen eines in 1 dargestellt ist, frei drehbar
montiert ist und in der röhrenförmigen Welle 26 und
um die Achse 28 einer festen Nabe 29 des Verteilers 14 montiert
ist. Diese Nabe 29 und ihre Achse 28 sind ebenfalls
um die Rotationsachse X-X rotationssymmetrisch ausgebildet und die
Nabe 29 weist eine seitliche Außenfläche mit einer radial nach außen und
zu den Schaufeln 10 des Rotors 6 des Verdichters 2 gerichteten
Austiefung auf, sodass die radiale Innenseite des Fluidzirkulationskanals
zwischen dem Verteiler 14 und dem Verdichter 2,
und weitestgehend in der Verlängerung der
Nabe der Scheibe 9 des Verdichterrotors 6 und der
Wand 24 der Scheibe 25 des Verteilers, begrenzt wird.
-
Die
andere glatte und radiale Wand, die den Kanal 23 begrenzt,
ist die Wand 30 stromab an einem Ring 31, der
um die Rotationsachse X-X rotationssymmetrisch ausgebildet und somit
koaxial zum Rotor 6 ist und sich in einer entsprechenden
radialen und ringförmigen
Kammer des Gehäuses 3 befindet. Der
Ring 31 ist fest mit der gegenüber liegenden Scheibe 25 durch
Stege 32, die weitestgehend parallel zur Achse X-X und
regelmäßig an der
Kreislinie um diese Achse verteilt sind, verbunden, wobei sich diese
Stege 32 in radialer Außenposition an dem Ring 31 und
der Scheibe 25 befinden, d.h., dass sie in Richtung des äußeren Rands
des Kanals 23 angeordnet sind, wo die Geschwindigkeit des
Fluids am geringsten ist, wobei diese Stege 32 ferner eventuell mit
einem Profil versehen sind, um ihren aerodynamischen Widerstand
bei der relativen Bewegung mit dem Ziel einer Optimierung für einen
bestimmten Betriebspunkt zu reduzieren.
-
In
diesem radialen und glatten Verteiler 14 werden der Ring 31 und
die Hauptscheibe 25, die um die Achse X-X frei drehbar
drehfest verbunden sind, aufgrund des Reibungsmoments, das auf ein
durch den Verteiler 12 mit Schaufeln 13 auf das
Fluid übertragenes
kinetisches Moment zurückzuführen ist,
in Drehung versetzt. Die Gleichgewichts-Rotationsgeschwindigkeit
des Rings 31 und der Scheibe 25 wird für das Gleichgewicht
des oben genannten Reibungs-Antriebsmoments und des Reibungs-Widerstandsmoments,
das durch das zwischen den Innenseiten des Gehäuses 3 und den Seiten
des Rings 31 und der Scheibe 25, die einander
gegenüber
liegen und sich in der Nähe
der genannten festen Innenseiten des Gehäuses 3 befinden, eingeschlossene
Fluid erzeugt wird, erhalten. Durch das in Drehung Versetzen des
Rings 31 und der Scheibe 25 des radialen, glatten
Verteilers 14 können
die aerodynamischen Verluste in diesem Bereich minimiert werden,
wobei diese Verluste bei der freien Rotationsgeschwindigkeit des
Diffusors 14 durch einen Faktor von ungefähr 3 im
Vergleich zu einem festen, radialen und glatten Diffusor dividiert
werden.
-
Nach Übergang
in den Verteiler 14 wird das Fluid im Zentrifugalverdichter 2 verdichtet
und zum Auslassdiffusor 15 weitergeleitet, der ein radialer, glatter
und frei drehbarer Diffusor ist, dessen Ausbildung stromab eines
Zentrifugalverdichters an sich bekannt ist, um einen Teil der durch
das Fluid erhaltenen kinetischen Energie in eine Druckerhöhung umzuwandeln,
und zwar zugleich durch die Erhaltung des kinetischen Moments (mit
Ausnahme der Reibung an den glatten Wänden dieses Diffusors 15) und
die Erhöhung
des Radius' oder
des Abstands des betrachteten Punkts von der Rotationsachse X-X.
Die Fortsetzung der Umwandlung der kinetischen Energie in eine Druckerhöhung erfolgt
im Flügeldiffusor,
stromab des Diffusors 15, wenn ein solcher Flügeldiffusor
zwischen dem Diffusor 15 und der Schnecke 16,
in der das Fluid anschließend
tangential gesammelt wird, vorgesehen ist.
-
Der
radiale, glatte Auslassdiffusor des Verdichters 2 wird
durch einen ringförmigen
und radialen Kanal 33 durchquert, der zwischen zwei glatten
Wänden
begrenzt ist, die nicht mit Schaufeln versehen sind und die einander
gegenüber
liegen und um die Rotationsachse X-X rotationssymmetrisch ausgebildet
sind, wobei diese glatten Wände
kegelstumpfförmig
oder, wie in 1 dargestellt, flache und radiale Wände sein
können,
von denen eine 34 eine Wand stromab an einem stromaufwärtigen Ring 35 ist,
der koaxial zum Rotor 6 des Verdichters 2 und
in einer Kammer entsprechender Form des Gehäuses 3 um diesen Rotor
des Verdichters 2 angebracht ist. Die andere Wand des Kanals 33 ist
eine Wand 36 stromauf an einem stromabwärtigen Ring 37, der
ebenfalls koaxial zum Rotor 6 des Verdichters 2 und
unabhängig
von diesem Verdichterrotor 6 um die Rotationsachse X-X
frei drehbar ist. Der Ring 35 wird mit der Scheibe 37 durch
Stege 38, die analog zu den Stegen 32 ausgebildet
und somit weitestgehend axial, in der Kreislinie um die Achse X-X
regelmäßig verteilt und
mit einem aerodynamischen Profil versehen sind, in radialer Außenposition,
d.h. am äußeren Rand
des Rings 35 und der Scheibe 37, drehfest verbunden.
-
Der
Fluidabflusskanal wird somit von stromauf des Rotors 6 des
Verdichters 2 bis stromab des frei drehbaren Diffusors 15,
oder des auf ihn folgenden Flügeldiffusors,
durch um die Achse X-X rotationssymmetrisch ausgebildete Flächen begrenzt,
und im Bereich des Verdichters 2 wird der Abflusskanal zwischen
dem festen Gehäuse 3 und
der beweglichen Fläche
der Scheibe 9 des Rotors 6 begrenzt, während dieser
Kanal im Bereich des radialen, glatten Diffusors 15 durch
die beiden Wände 34 und 36 begrenzt
wird, die radial, glatt und mit dem Ring 35 und der Scheibe 37,
die um die Achse X-X drehfest verbunden sind, frei drehbar sind.
Gegebenenfalls wird der Abflusskanal im Flügeldiffusor, der den Diffusor 15 umgibt,
durch zwei einander gegenüber
liegende Flächen,
die flach oder kegelstumpfförmig
und fix sowie fest mit dem Gehäuse 3 verbunden
sind und zwischen denen sich die Profilflügel erstrecken, begrenzt.
-
Durch
die freie Drehung der Wände 34 und 36 kann
der Verlust eines Teils der durch die Scheibe oder Zentrifugalrad 9 des
Verdichters 2 auf das Fluid übertragenen kinetischen Energie
durch Reibung vermieden werden, und die Betriebs-Rotationsgeschwindigkeit des Rings 35 und
der frei drehbaren Scheibe 37 entspricht dem Gleichgewicht
zwischen dem Reibungs-Antriebsmoment aufgrund des Antriebs durch
das den Kanal 33 durchströmende Fluid und das zwischen
der Scheibe 40 und dem Rad 9 eingeschlossene Fluid
und einem Reibungs-Widerstandsmoment
aufgrund der durch das zwischen dem festen Gehäuse 3 und dem Ring 35 eingeschlossene
Fluid hervorgerufenen Bremsung.
-
Nach
einer Besonderheit der Erfindung im radialen, glatten und frei drehbaren
Diffusor 15 am Auslass des Zentrifugalverdichters 2 wird
die stromabwärtige
Scheibe 37 dieses Diffusors 15 durch den ringförmigen Frontalteil
in Richtung der stromaufwärtigen
Seite eines am äußeren radialen
Ende (bezogen auf die Achse X-X) einer Zwischenscheibe 40 axial
erweiterten Kopfes 39 gebildet, welche sich radial zwischen
den Scheiben 7 und 9 der Rotoren 5 und 6 der
Turbine 1 bzw. des Verdichters 2 erstreckt, wobei
diese Zwischenscheibe 40 ringförmig und an ihrem radialen
Innenrand fest mit dem Außengehäuse eines
Wälzlagers 41 verbunden
ist, dessen Innengehäuse
die Hauptwelle 4 umgibt und koaxial zu dieser ist. Die
Zwischenscheibe 40 ist so unabhängig von der Hauptwelle 4 und
den beiden Rotorscheiben 7 und 9, die ähnlich aber
unterschiedlich sind und fest mit der Hauptwelle 4 verbunden
sind, frei drehbar um die Achse X-X montiert.
-
Hinsichtlich
der Rotoren 5 und 6 kann durch diese Ausführung eine
gute Kompaktheit bei Beibehaltung der Vorteile einer Ausführung mit
zwei unterschiedlichen Scheiben 7 und 9 für die Rotoren 5 und 6 der
Turbine 1 und des Verdichters 2 erhalten werden,
wobei die Scheibe 9 des Verdichters zum Beispiel eine massive
Aluminiumscheibe sein kann, um ihre Trägheit zu begrenzen, während die
Scheibe 7 der Turbine 1 aus Stahl oder Keramik
sein kann, um hohen Temperaturen zu widerstehen, und zwischen ihren
Schaufeln 8 Aussparungen in Form von am Rand der Scheibe 7 eingelassenen
Zweiecken aufweisen kann, sodass die Beanspruchungen reduziert und
ihre Trägheit
verringert werden, wobei die Ausführung mit zwei unterschiedlichen
Rotorscheiben 7 und 9 ebenfalls im Zusammenhang
mit Energieaspekten günstig
ist, da die Wärmeübertragungen durch
Leitung vom Turbinenrotor 5 zum Verdichterrotor 6 begrenzt
werden.
-
Hinsichtlich
der frei drehbaren Zwischenscheibe 40 ist diese Ausführung ebenfalls
vorteilhaft, da der der stromabwärtigen
Seite zugewandte ringförmige
Frontalteil am erweiterten Kopf 39 der Zwischenscheibe 40 eine
stromaufwärtige
Scheibe 42 bildet, die koaxial zum Rotor 5 der
Turbine 1 ist und diesen Rotor 5 umgibt, und deren
radiale, glatte und der stromabwärtigen
Seite zugewandte Wand 43 eine der beiden flachen und um
die Achse X-X rotationssymmetrisch ausgebildeten Wände bildet,
zwischen denen der radiale und ringförmige Kanal 44 für die Speisung
der zentripetalen Turbine 1, der den radialen, glatten
und frei drehbaren Verteiler 18 durchquert, begrenzt ist.
Die andere der beiden einander gegenüber liegenden und den Kanal 44 begrenzenden
Wände ist
die flache, radiale und der stromaufwärtigen Seite zugewandte Wand 45 an
einem Ring 46, der ebenfalls koaxial zum Rotor 5 und
um diesen in einer Kammer entsprechender Form des Gehäuses 3 angeordnet
ist, wobei dieser Ring 46 durch Stege 47, die
analog zu den Stegen 38 ausgebildet und somit weitestgehend
axial, mit einem Profil versehen und regelmäßig an der Kreislinie um die
Achse X-X verteilt sind sowie sich in radialer Außenposition
am Ring 46 wie an der Scheibe 42 befinden, mit
der Zwischenscheibe 40 drehfest verbunden ist.
-
Auf
diese Weise erhält
man eine Ausführung, bei
der der Auslassdiffusor 15 und der Einlassverteiler 18 weitestgehend
symmetrisch zueinander, bezogen auf die senkrecht zur Achse X-X
verlaufende Mittelebene der Zwischenscheibe 40, sind. Darüber hinaus
weist der erweiterte Kopf 39 der Zwischenscheibe 40 an
seinem radialen Außenrand
eine Aussparung 48 in V-Form auf, um die Beanspruchungen
zu minimieren, wobei die gegenüber
liegende Seite des festen Gehäuses 3 eine
entsprechende V-Form aufweist.
-
Durch
die Ausführung
des radialen, glatten Auslassdiffusors 15 des Verdichters 2 und
des radialen, glatten Einlassverteilers 18 der Turbine 1 mithilfe von
zwei Ringen 35 und 46, die mit dem Kopf 39 der um
die Achse X-X frei drehbaren Zwischenscheibe 40 fest verbunden
sind, können
der Diffusor 15 und der Verteiler 18 als eine
einheitliche kombinierte Baugruppe, die koaxial zu den Rotoren 5 und 6 der
Turbine 1 und des Verdichters 2 frei drehbar sind,
ausgebildet sein. Mit anderen Worten, die Originalität der frei
drehbaren kombinierten Baugruppe, deren wesentliches Element die
Zwischenscheibe 40 ist, besteht darin, dass die stromaufwärtige Scheibe 42 des radialen,
glatten Einlassverteilers 18 der Turbine 1 und
die stromabwärtige
Scheibe 37 des radialen, glatten Auslassdiffusors 15 des
Verdichters 2 aufgrund ihrer Ausbildung zusammen mit der
Scheibe 40 als ein Teil drehfest mit der Zwischenscheibe 40 verbunden
sind.
-
Somit
können
durch die beiden Ringe 35 und 46 in Verbindung
mit der Zwischenscheibe 40 und ihrem erweitertem Kopf 39 sowohl
für den
radialen, glatten Diffusor 15 des Zentrifugalverdichters 2 als auch
für den
radialen, glatten Verteiler 18 der zentripetalen Turbine 1 bewegliche
Wände erhalten
werden, durch die die aerodynamischen Verluste durch Reibung zwischen
Fluiden und Wänden
in den beiden entsprechenden radialen, glatten Kanälen 33 und 44 sehr
deutlich reduziert werden, wobei diese aerodynamischen Verluste
mit dem Vorhandensein eines hohen kinetischen Moments sowohl auf
der Seite des Verdichters 2 als auch auf der der Turbine 1 in
Zusammenhang stehen. Die Verluste durch Reibung der Scheiben im
Bereich der Rotoren 5 und 6 werden ebenfalls aufgrund
des in freie Drehung Versetzen der Zwischenscheibe 40 zwischen
den Rotoren 5 und 6 reduziert. So erhält die frei
drehbare kombinierte Baugruppe, welche durch die Zwischenscheibe 40 und
die zugeordneten Ringe 35 und 46 gebildet wird,
eine Rotationsgeschwindigkeit, die dem Gleichgewicht zwischen einem
Antriebsmoment, welches mit dem Antrieb durch die Fluide, die die
radialen, glatten Kanäle 33 und 44 des
Diffusors 15 bzw. des Verteilers 18 durchströmen, und
durch die Fluide, die zwischen den Wänden der Zwischenscheibe 40 und
den gegenüber
liegenden Wänden der Scheiben 7 und 9 der
Rotoren 5 und 6 eingeschlossen sind, verbunden
ist, und dem Widerstandsmoment aufgrund der Bremsung durch die zwischen
den Ringen 35 und 46 und den festen, gegenüber liegenden
Teilen des Gehäuses 3 eingeschlossenen
Fluide entspricht.
-
In
einer Variante könnte
der radiale Kanal 44 des glatten Verteilers 18 ebenfalls
zwischen zwei gegenüber
liegenden, kegelstumpfförmigen
und um die Achse X-X frei drehbaren Wänden stromab von zwei festen,
um die Achse X-X rotationssymmetrisch ausgebildeten und einander
gegenüber
liegenden Flächen,
um den Kanal zu begrenzen, der den eventuellen festen Flügelverteiler,
der um den radialen, glatten und frei drehbaren Verteiler 18 montiert
ist, zwischen diesem und der Außenschnecke 17 zur
Speisung der Turbine 1 durchquert, begrenzt werden.
-
Nach
dem Austreten aus dem Rad der zentripetalen Turbine 1 und
dem Eintreten in einen kurzen radialen Übergangsabschnitt 49 des
Zirkulationskanals durchströmen
die Fluide einen radialen und ringförmigen Kanal 50 des
radialen, glatten und frei drehbaren Auslassdiffusors 19 der
Turbine 1. Wie die oben beschriebenen radialen Kanäle ist der
Kanal 50 zwischen zwei glatten, einander gegenüberliegenden
und nicht mit Schaufeln versehenen Wänden begrenzt, die um die Rotationsachse
X-X rotationssymmetrisch ausgebildet sind und kegelstumpfförmig oder,
wie in 1 dargestellt, flache und radiale Wände sein
können.
Eine von ihnen ist eine Wand 51 stromauf an einer Haupt-
oder stromabwärtigen Scheibe 52,
die koaxial zum Rotor 5 der Turbine 1 angeordnet
und unabhängig
von diesem Rotor 5 um die Rotationsachse X-X frei drehbar
montiert ist. Dies wird durch die Tatsache erhalten, dass die radiale Scheibe 52 ringförmig und über ihren
radialen Innenrand mit einem Ende einer anderen röhrenförmigen Welle 53 fest
verbunden ist, die in der Drehbewegung koaxial um die Achse X-X
und im Gehäuse 3 mithilfe von
Wälzlagern,
von denen eines im Inneren der röhrenförmigen Welle 53 und
um eine Achse 55, die koaxial zu einer Nabe 56,
die ebenfalls koaxial zum Diffusor 19 ist, montiert ist,
geführt
wird. Diese Nabe 56 ist weitestgehend symmetrisch zur Nabe 29 der
Einlassverteilers 14 des Verdichters 2, und diese
Nabe 56 weist ebenfalls eine radiale Außenfläche auf, die um die Rotationsachse
X-X rotationssymmetrisch ausgebildet ist und eine radial nach außen und stromauf
(zu den Schaufeln 8 des Rotors 5 der Turbine 1)
gerichtete Austiefung besitzt, um mit der gegenüber liegenden Wand des Gehäuses einen Übergang zwischen
dem kurzen axialen Kanalabschnitt 49 und dem radialen Kanal 50 des
Diffusors 19 zu gewährleisten.
-
Die
andere Wand, die diesen Kanal 50 begrenzt, ist die Wand 57 stromab
an einem stromaufwärtigen
Ring 58, der koaxial zum Rotor 5 der Turbine 1 um
die Rotationsachse X-X ausgebildet ist und sich in einer Kammer
entsprechender Form des Gehäuses 3 befindet.
Dieser Ring 58 wird mit der frei drehbaren Scheibe 52 durch
Stege 59, die analog zu den Stegen 47, 38 und 21 ausgebildet,
d.h. weitestgehend axial, mit einem Profil versehen und an der Kreislinie
um die Achse X-X regelmäßig verteilt
sind, in radialer Außenposition
am Ring 58 und der Scheibe 52 drehfest verbunden.
-
Die
Funktion dieses radialen, glatten und frei drehbaren Auslassdiffusors 19 der
zentripetalen Turbine 1 besteht, wie bei jeglichem bekannten
glatten Diffusor stromab eines Turbinenrotors, darin, einen Teil
der kinetischen Energie des Fluids zurückzugewinnen, um den Wirkungsgrad
der Turbine 1 zu erhöhen
und eine höhere
Leistung an ihrer Welle 4 zu erhalten. Denn bei einem festgelegten
Auslassdruck, der im Allgemeinen gleich dem atmosphärischen Druck
am Ausgang der Schnecke 20 zur Fortsetzung der Ableitung
am Ausgang des radialen Diffusors 19 oder eines eventuellen
festen Flügeldiffusors,
der den Diffusor 9 umgeben kann, zwischen diesem und der
Schnecke 20 ist, ermöglicht
die Druckerhöhung im
Diffusor 19 eine Absenkung des statischen Drucks im Ausgangsbereich
des Rotors 5 der Turbine 1, wobei dieser Ausgangsbereich
sich im kurzen axialen Kanalabschnitt 49 befindet, was
somit eine Erhöhung der
verfügbaren
Leistung an der Welle 4 der Turbine 1 ermöglicht.
-
Der
glatte Diffusor 19 mit dem radialen Kanal 50 (oder
axialo-radialen Kanal aufgrund des kurzen axialen Kanalabschnitts 49)
ist, obwohl er, insbesondere weil er die Fortsetzung der Ableitung
am Ausgang durch die Schnecke 20 erfordert, schwieriger als
ein axialer, glatter Diffusor herzustellen ist, dennoch vorteilhafter
als ein axialer, glatter Diffusor, und zwar hauptsächlich aus
den drei folgenden Gründen.
-
In
der Anlaufphase, und für
die nicht angepassten Betriebszustände (bzw. außerhalb
des Nominalpunkts), besitzt das Fluid im Ausgangsbereich des Rotors 5 der
Turbine 1 ein kinetisches Restmoment. Durch die Radiusänderung
aufgrund des Vorhandenseins des radialen Diffusors 19 ermöglicht dieser
Diffusor 19 die Absenkung der tangentialen Geschwindigkeit
in Stromabrichtung und somit eine stärkere Erhöhung des statischen Drucks
als jene, die bei einem axialen Diffusor festgestellt wird. Bei
einer Anlaufphase wird insbesondere das Moment an der Welle 4 entsprechend
erhöht
und die Reaktionszeit des Turboverdichters somit reduziert.
-
Der
zweite Grund besteht darin, dass die Verringerung der tangentialen
Geschwindigkeit im radialen Diffusor 19 und die nachfolgende
Aufnahme des Fluids durch die Schnecke 20 den deutlichen Vorteil
bieten, dass im Gegensatz zur Situation bei einem axialen, glatten
Diffusor, bei dem die Konzentration einer kreisförmigen Strömung in der Nähe der Achse
der Maschine in diesem Bereich zu einem trägen Fluidkern und instationären Erscheinungen,
die auf die Scherkräfte
zwischen dem trägen
Fluid und dem kreisförmig
um träges
Fluid strömenden
Fluid zurückzuführen sind,
was zu einem nicht zu vernachlässigenden
Schallpegel führt,
eine geräuscharme Strömung erzielt
wird.
-
Der
dritte Grund besteht darin, dass diese Anordnung die Konzeption
von Strömungsmaschinen
mit einem reduzierten Platzbedarf entlang ihrer Rotationsachse ermöglicht.
Im radialen, glatten Auslassdiffusor 19 führt das
in freie Drehung Versetzen der Wände 51 und 57,
die den radialen Kanal 50 begrenzen, zu einer weiteren
Steigerung der Qualitäten dieses
radialen Diffusors 19 aufgrund der Reduzierung der Reibungen
zwischen den Fluiden und den Wänden.
Hieraus ergibt sich, dass der Wirkungsgrad und die Leistung der
zentripetalen Turbine 1 bei nicht adaptivem Betrieb und
insbesondere beim Anlaufen weiter erhöht werden und der Schallpegel
noch weiter verringert wird, was auf die Absenkung des Wirbelniveaus
im Diffusor 19 zurückzuführen ist.
-
Für die Herstellung
des Verteilers 14 und des Diffusors 19, die radial,
glatt und frei drehbar sind, zur Speisung des Zentrifugalverdichters 2 bzw.
am Auslass der zentripetalen Turbine 1 werden die eingesetzten
Werkstoffe so ausgewählt,
dass ihre Trägheit begrenzt
wird. Hinsichtlich des Diffusors 19, und unter Berücksichtigung
der noch relativ hohen Temperaturen der Gase am Auslass der Turbine 1,
wird vorteilhafterweise ein Werkstoff keramischen Typs, der diesen
Temperaturen gut widersteht, ausgewählt.
-
Im
Beispiel von 1 sind die Rotoren 5 und 6 der
Turbine 1 und des Verdichters 2, die durch die Hauptwelle 4 drehfest
miteinander verbunden sind, drehbar um die Achse X-X an Drehzapfen 60 und 61 montiert,
die koaxial um diese Achse X-X angebracht sind und jeweils an einer
bzw. beiden Naben 56 und 29, die in diesem Beispiel
beide fest sein können,
axial hervorstehen, mit Zwischenschaltung von Wälzlagern 62 bzw. 63 zwischen
der Nabe der Scheibe 7 des Turbinenrotors 5 und
dem Drehzapfen 60 der Nabe 56 für das Lager 62 sowie
zwischen der Nabe der Scheibe 9 des Verdichterrotors 6 und
dem Drehzapfen 61 der Nabe 29 für das Lager 63.
-
Im
Fall eines Betriebs als Gasturbine, wie in 2 dargestellt,
wird an der Welle der zentripetalen Turbine 1 eine Nutzleistung
benötigt.
In diesem Fall ist die Nabe 56' des Auslassdiffusors 19 der
Turbine 1 drehfest mit der Nabe der zentripetalen Scheibe 7 der
Turbine 1, und somit mit der Baugruppe der beiden Rotoren 5 und 6,
die über
die Hauptwelle 4 fest miteinander verbunden sind, des Turboverdichters 1 verbunden.
Ein anderes Wälzlager 64 ist
zwischen einem festen und mit dem Gehäuse 3 fest verbundenen
Außengehäuse 65 und
um die Achse 55' der Nabe 56', wobei diese
Achse 55' die
Hauptwelle 4 verlängert
und somit die Ausgangswelle der Turbine 1 ist, an der eine
Leistung verfügbar
ist, montiert.
-
Im Übrigen sind
die Struktur und Funktionsweise der Gasturbine aus 2 die
gleichen wie im Beispiel der 1, sodass
die gleichen numerischen Bezugszeichen analoge Elemente bezeichnen.
In 2 ist die Scheibe 7 des Rotors 5 der
Turbine 1 jedoch als aus Keramik hergestellt dargestellt,
wobei die Scheibe 9 des Rotors 6 des Verdichters 2 weiterhin
zum Beispiel aus Aluminium, wie im Beispiel der 1,
hergestellt ist.
-
Durch
die Summe der Verbesserungen, die durch die Reduzierung der Reibungen
im Bereich der Zweiecke in der Scheibe 7, der radialen,
glatten und frei drehbaren Verteiler und Diffusoren, die durch kreisförmige Strömungen durchströmt werden,
erhalten wurden, kann eine nach der Erfindung hergestellte Gasturbine
zu Einsparungen von 10 bis 15% des spezifischen Verbrauchs bei sonst
gleich bleibenden Bedingungen führen.