DE60027713T2 - Radiale turbomaschine - Google Patents

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Description

  • 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.

Claims (16)

  1. Strömungsmaschine, mit mindestens einer zentripetalen Radialturbine (1), welche einen Rotor (5) aufweist, der in einem Gehäuse (3) drehbar um eine Rotationsachse (X-X) montiert ist, wobei der Rotor (5) eine Scheibe (7) aufweist, die um ihre mit der Rotationsachse (X-X) zusammenfallende Achse drehbar und stromab relativ zur Umlaufrichtung eines in die Turbine (1) eingeleiteten Fluids mit Schaufeln (8) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zentripetale Turbine (1) über einen glatten, radialen, koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) frei drehbaren und den Turbinenrotor (5) umgebenden Einlassverteiler (18) mit Fluid beschickt wird.
  2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie des Weiteren mindestens einen Radialverdichter (2) aufweist, welcher einen zum Rotor (5) der Turbine (1) koaxialen und mit dem Turbinenrotor um die Rotationsachse (X-X) drehfesten Rotor (6) im Gehäuse (3) aufweist, wobei der Rotor (6) des Verdichters (2) eine zur Scheibe (7) des Rotors (5) der Turbine (1) koaxial drehbare Scheibe (9) aufweist, die stromauf relativ zur Umlaufrichtung eines in den Verdichter (2) eingeleiteten Fluids mit Schaufeln (10) versehen ist, die das Fluid in Richtung eines glatten, radialen und koaxial zum glatten, radialen und frei drehbaren Einlassverteiler (18) der Turbine (1) frei drehbaren Auslaufdiffusors (15) verdichtet, wobei der Auslaufdiffusor (15) des Verdichters (2) den Rotor (6) des Verdichters (2) umgibt und von einer Schnecke (16) zur Fortsetzung der Fluidableitung umgeben ist, welche mit einer Speiseschnecke (17), die den Einlassverteiler (18) der Turbine (1) umgibt, verbunden ist.
  3. Strömungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der glatte, radiale Auslaufdiffusor (15) des Verdichters (2) und der glatte, radiale Einlassverteiler (18) der Turbine (1) als eine einheitliche Baugruppe, die koaxial zu den Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) frei drehbar gelagert ist, ausgebildet sind.
  4. Strömungsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte frei drehbare Baugruppe eine Zwischenscheibe (40) aufweist, die zwischen den Scheiben (7, 9) der Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) um eine gemeinsame Hauptwelle (4), durch die die um die Rotationsachse drehbar gelagerten Scheiben (7, 9) der Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) verbunden werden, frei drehbar gelagert ist.
  5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass den glatten, radialen und frei drehbaren Auslaufdiffusor (15) des Verdichters (2) ein radialer Kanal (33) durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende und um die Rotationsachse (X-X) rotationssymmetrisch ausgebildete Wände begrenzt wird, wobei eine von diesen eine Wand (36) einer stromabwärtigen Scheibe (37) ist, die koaxial zum Rotor (6) des Verdichters (2) angeordnet sowie frei und vom Rotor (6) des Verdichters (2) unabhängig um die Rotationsachse (X-X) drehbar gelagert ist, und die andere Wand des Kanals (33) eine Wand (34) eines stromaufwärtigen Rings (35) ist, der koaxial zum Rotor (6) des Verdichters (2) angeordnet und mit der stromabwärtigen Scheibe (37) des genannten Auslaufdiffusors (15) durch weitestgehend axiale Stege (38) in weitestgehend radialer Außenposition relativ zur Rotationsachse (X-X) an dem genannten stromaufwärtigen Ring (35) und an der genannten stromabwärtigen Scheibe (37) drehfest verbunden ist.
  6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass den glatten, radialen und frei drehbaren Einlassverteiler (18) der Turbine (1) ein radialer Kanal (44) durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende und um die Rotationsachse (X-X) rotationssymmetrisch ausgebildete Wände (43, 45) begrenzt wird, wobei eine von diesen eine Wand (43) einer stromaufwärtigen Scheibe (42) ist, die koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) angeordnet sowie frei und vom Rotor (5) der Turbine (1) unabhängig um die Rotationsachse (X-X) drehbar gelagert ist, und die andere Wand des Kanals (44) eine Wand (45) eines stromabwärtigen Rings (46) ist, der koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) angeordnet und mit der stromaufwärtigen Scheibe (42) des genannten Einlassverteilers (18) durch weitestgehend axiale Stege (47) in weitestgehend radialer Außenposition relativ zur Rotationsachse (X-X) an dem genannten stromabwärtigen Ring (46) und der genannten stromaufwärtigen Scheibe (42) drehfest verbunden ist.
  7. Strömungsmaschine nach Anspruch 6, rückbezogen auf Anspruch 5, dieser wiederum rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die frei drehbare stromaufwärtige Scheibe (42) des glatten, radialen Einlassverteilers (18) der Turbine (1) und die frei drehbare stromabwärtige Scheibe (37) des glatten, radialen Auslaufdiffusors (15) des Verdichters (2) drehfest mit der Zwischenscheibe (40) der frei drehbaren Baugruppe verbunden und vorzugsweise mit der genannten Zwischenscheibe (40) als ein Teil ausgebildet sind.
  8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Schaufeldiffusor den glatten, radialen und frei drehbaren Auslaufdiffusor (15) des Verdichters (2) umgibt und dieser wiederum von der Außenschnecke (16) zur Fortsetzung der Fluidableitung umgeben ist.
  9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein fester Schaufelverteiler den glatten, radialen und frei drehbaren Einlassverteiler (18) der Turbine (1) umgibt und dieser wiederum von einer Außenschnecke (17) zur Speisung der Turbine (1) umgeben ist.
  10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor der zentripetalen Turbine (1) das Fluid einem glatten, radialen und koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) frei drehbaren Auslaufdiffusor (19) im genannten Gehäuse (3) zuführt.
  11. Strömungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass den glatten, radialen und frei drehbaren Auslaufdiffusor (19) der Turbine (1) ein radialer Kanal (50) durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende und um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildete Wände (51, 57) begrenzt wird, wobei eine von diesen eine Wand (51) einer stromabwärtigen Scheibe (52) ist, die koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) angeordnet sowie frei und vom Rotor (5) der Turbine (1) unabhängig drehbar um die Rotationsachse (X-X) montiert ist sowie mit einer sekundären röhrenförmigen welle (53) drehfest verbunden ist, die bei der Drehbewegung von mindestens einem Lager (54) an einer koaxial zum Auslaufdiffusor (19) der Turbine (1) angeordneten Nabe (56) geführt wird, und die andere Wand des Kanals (50) eine Wand (57) eines stromaufwärtigen Rings (58) ist, der koaxial zum Rotor (5) der Turbine (1) angeordnet ist und mit der frei drehenden stromabwärtigen Scheibe (52) des genannten Auslaufdiffusors (19) der Turbine (1) durch weitestgehend axiale Stege (59) in weitestgehend radialer Außenposition an dem genannten stromaufwärtigen Ring (58) und der genannten stromabwärtigen Scheibe (52) des genannten Auslaufdiffusors (19) der Turbine (1) drehfest verbunden ist.
  12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, 7, 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) durch einen glatten, radialen und koaxial zum Rotor (6) des Verdichters (2) frei drehbaren Verteiler (14) im genannten Gehäuse (3) mit Fluid beschickt wird.
  13. Strömungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass den glatten, radialen und frei drehbaren Einlassverteiler (14) des Verdichters (2) ein radialer Kanal (23) durchquert, der durch zwei glatte, einander gegenüberliegende und um die Rotationsachse (X-X) rotationssymmetrisch ausgebildete Wände (24, 30) begrenzt wird, wobei eine (24) von diesen eine Wand einer stromaufwärtigen Scheibe (25) ist, die koaxial zum Rotor (6) des Verdichters (2) angeordnet sowie frei und vom Rotor (6) des Verdichters (2) unabhängig um die Rotationsachse (X-X) drehbar gelagert ist sowie mit einer tertiären röhrenförmigen Welle (26) drehfest verbunden ist, die bei der Drehbewegung von mindestens einem Lager (27) an einer koaxialen Nabe (28, 29) des genannten Einlassverteilers (14) des Verdichters (2) geführt wird, und die andere Wand des Kanals (23) eine Wand (30) eines stromabwärtigen Rings (31) ist, der koaxial zum Rotor (6) des Verdichters (2) angeordnet und mit der frei drehbaren stromaufwärtigen Scheibe (25) des Einlassverteilers (14) des Verdichters (2) durch weitestgehend axiale Stege (32) in weitestgehend radialer Außenposition an dem genannten stromabwärtigen Ring (31) und der genannten stromaufwärtigen Scheibe (25) des genannten Einlassverteilers (14) des Verdichters (2) drehfest verbunden ist.
  14. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der glatte, radiale und frei drehbare Einlassverteiler (14) des Verdichters (2) von einem festen, radialen Verteiler (12) mit verstellbaren Schaufeln (13) umgeben ist.
  15. Strömungsmaschine nach Anspruch 13, rückbezogen auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) über koaxiale Drehzapfen (60, 61) um die Rotationsachse (X-X) sowie zwischen den Naben (56, 29) des glatten, radialen Auslaufdiffusors (19) der Turbine (1) und des glatten, radialen Einlassverteilers (14) des Verdichters (2) drehfest miteinander verbunden sind.
  16. Strömungsmaschine nach Anspruch 13, rückbezogen auf Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) mit der Nabe (56') des freien, radialen Auslaufdiffusors (19) der Turbine (1) drehfest verbunden sind, wobei die genannte Nabe (56') des Diffusors (19) koaxial um die Rotationsachse (X-X) drehbar im Gehäuse (3, 65) mithilfe von mindestens einem zusätzlichen Lager (64) montiert ist, wohingegen die Rotoren (5, 6) der Turbine (1) und des Verdichters (2) und die drehbare Nabe (56') des glatten, radialen Auslaufdiffusors (19) der Turbine (1) drehbar auf der festen Nabe (29) des glatten, radialen Einlassverteilers (14) des Verdichters (2) mithilfe eines koaxialen Drehzapfens (61) um die Rotationsachse (X-X) montiert sind.
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