DE678449C - Laeufer fuer hochtemperaturbeanspruchte Turbinen - Google Patents

Laeufer fuer hochtemperaturbeanspruchte Turbinen

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DE678449C
DE678449C DES128368D DES0128368D DE678449C DE 678449 C DE678449 C DE 678449C DE S128368 D DES128368 D DE S128368D DE S0128368 D DES0128368 D DE S0128368D DE 678449 C DE678449 C DE 678449C
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DE
Germany
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jet
combustion
cooling
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runner
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Expired
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DES128368D
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English (en)
Inventor
Guenther Steinbach
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GERTRUD STEINBACH GEB SEITHE
Original Assignee
GERTRUD STEINBACH GEB SEITHE
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/34Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • Läufer für hochtemperaturbeanspruchte Turbinen Auf dem Gebiet der Verbrennungsturbinen haben sich mehrere Aufgaben herausgebildet, die der Lösung harren, um eine praktisch brauchbare Bauart, deren Wirkungsgrad den Anforderungen des heutigen Standes der Technik entspricht, zu finden. Es sind dieses: r. Erzeugung eines möglichst hohen Druckgefälles bei geradliniger Ausströmung der A -beitsgase, a. Erzeugung eines möglichst gleichbleibenden Verbrennungsstrahles unter Fortfall längerer Unterbrechungen zur Nachkühlung des temperaturbeanspruchten Baustoffes durch geeignete Vorrichtungen zur Erzielung hoher Spielzahlen der Auslaßventile, 3. Ausnutzung des ungekühlten Verbrennungsstrahles, da jede Kühlmaßnahme einen Teil der durch die Verbrennung frei gewordenen Energiemengen nutzlos durch Schrumpfung des ' Stahles vernichtet.
  • q.. Vermeidung der Nachkühlung des beaufschlagten Baustoffes, da durch diese die Gleichmäßigkeit des wirksamen Strahles und somit des Maschinenlaufes gestört und der nachfolgende Verbrennungsstrahl abgekühlt wird, wodurch sich die unter 3 angeführten nachteiligen Wirkungen ergeben.
  • Es liegt theoretisch klar, daß der Wirkungsgrad einer Verbrennungsturbine zum großen Teil davon abhängig ist, daß die bei der Verbrennung frei werdenden Wärmemengen möglichst vollwertig ausgenutzt werden. Die bisher vorgeschlagenen Turbinenräder bestehen, von einigen überholten und nicht den notwendigen Nutzeffekt abgebenden speziellen Bauarten abgesehen, aus Radkörpern, die mit Schaufeln versehen sind. Der Schaufelbaustoff ist infolge der überaus hohen Umdrehungszahlen, die sich aus der Strömungsgeschwindigkeit der Arbeitsgase ergeben, durch Fliehkräfte stark auf Zug beansprucht, abgesehen von- der sonstigen Beanspruchung, der der Schaufellbaustoff ausgesetzt ist. Nur außerordentlich zäher, zugfester Baustoff darf daher für die Herstellung der Schaufeln verwendet werden. Man hat allgemein Metalle größter Widerstandsfähigkeit als Schaufelbaustoff verwandt. Diese aber haben den Nachteil, daß, ihre Erw,eichungstemperaturen im Verhältnis zur Temperatur ungekühlter Verbrennungsgase niedrig liegen, so daß es bisher bei der Anwendung von Schaufelrädern nicht möglich ist, ohne Kühlmaßnahmen auszukommen. Entweder man kühlt den wirksamen Strahl vor Eintritt in die Beschaufelung ab oder man läßt ihn ungekühlt die Beschaufelung durchströme, muß dann aber den Baustoff nachkühlen, um dessen Temperatur in einem der Zerstörung entgegenwirkenden Rahmen zu halten. In beiden Fällen sinkt der Wirkungsgrad der Maschine beträchtlich. - Ein Teil det neueren Vorschläge zielt nun darauf ab, durch besondere Formgebung teils des Radkörpers, teils der Schaufeln, die Dauer der Nachkühlung zu verringern; ein Teil schlägt die Verwendung von wärmebeständigen Baustoffen vor, wie Quarze oder Silikate. Nach dem ersten Verfahren ist -,trotzdem ein starkes Absinken der Leistung nicht zu verhindern, da die Kühlung zwar eingeschränkt, aber nicht entbehrlich wird. Bei der Anwendung des zweiten Weges zeigt es sich jedoch, daß die Festigkeitseigenschaften der in Frage kommenden Stoffe den zu stellenden Forderungen insbesondere auf Zugfestigkeit nicht gerecht werden können. Bei einem Vorschlag ist erwähnt, diesen Mangel dadurch auszugleichen, daß der feuerfeste Baustoff mit einem Metallmantel umgeben werden kann. Es handelt sich hierbei aber um eine Sonderbauart, die von der eigentlichen Turbinenbauart der unmittelbaren Umsetzung der Strömungsenergie durch Beugung des Strahles abgeht und diese durch Druckstauungen erreichen will. Ein Vorschlag hat zwar, ohne die Verwendung feuerfester Stoffe zu erwähnen, Kanalräder vorgeschlagen, wobei gebogene Kanäle an Stelle von Schaufeln an der Innenwand von Trommeln angebracht sind. Es entsteht hierdurch eine axiale Beaufschlagung, die den Nachteil in sich birgt, daß die Breite der einseitig gelagerten Trommel und somit auch die Anzahl der' unterbringbaren Stufen begrenzt ist, was sich in Anbetracht der hohen Strömungsgeschwindigkeiten bei Verbrennungs- oder Dampfturbinen mit hohen Spannungen nachteilig auswirken muß. Auch die Bauart des Gehäuses, das, einseitig gelagert, in die innerhalb der Trommel befindliche umlaufende Beschaufelung hineinragen muß, stößt praktisch auf große Schwierigkeiten, besonders, wenn es sich um mehrstufige Turbinen handelt.
  • Die Erfindung geht daher bewußt auf radiale Beaufschlagung über und wählt, obwohl eine Ausführung mit Gehäuse und Läufer durchaus denkbar ist, Gegenläufigkeit, weil sich hierbei für hohe Strömungsgeschwindigkeiten günstigere Bedingungen und Nutzungswerte ergeben und die bauliche Gestaltung vereinfacht wird. Da aber im übrigen die feuerfesten Baustoffe außer ihrer Empfindlichkeit gegen Beanspruchung auf Zug ihren übrigen Eigenschaften nach wohl geeignet erscheinen, große Wärmemengen unbeschadet zu verarbeiten, sieht auch die Erfindung die Verwendung von feuerfesten Baustoffen vor, beschränkt sich jedoch auf eine bezüglich einer für die Verwendung derartiger Stoffe günstige, neuartige Formgebung der Bauteile als Vorrichtung.
  • Die Erfindung besteht darin, daß die Umsetzung .der Bewegungskraft des Verbrennungsstrahles bei radialer Beugung in gegenläufigen Turbinenrädern vor sich geht, wobei folgende Maßgaben im Läufer vereinigt sind, daß der Verbrennungsgasstrahl wechselseitig, im zur Laufrichtung spitzen Winkel einfallend, in ringförmig angeordneten, schuppenähnlichen Einschnitten der Turbinenräder radial zurückgeführt wird, und daß der Verbrennungsgasstrahl die Beaufschlagung ungekühlt durchläuft, ohne anderen als feuerfesten Baustoff zu berühren, welcher, seinen physikalischen und mechanischen Eigenschaften Rechnung tragend, als Futter eines metallischen Radkörpers ausgebildet ist und keiner Nachkühlung bedarf, und daß die Außenseiten der metallischen Radkörper als Kreiselgebläse ausgebildet sind, so daß sie außer der Eigenkühlung auf der einen Seite der Erzeugung der Verdichtung, auf der Gegenseite der Vernichtung der ausströmenden Wärmemengen und der Erzeugung eines Unterdruckes innerhalb der Beaufschlagung dienen können. Die heißen Verbrennungsgase sollen hierbei, ohne die Beaufschlagung zu schädigen, ungekühlt und ohne Nachkühlung arbeiten, und zwar sollen durch besondere Formgebung des Läufers einmal auf den Baustoff einwirkende Zugkräfte vermieden, zum anderen der wirksame Verbrennungsgasstrahl so geleitet werden, daß',er auf seinem wirksamen Wege ausschließlich auf feuerfesten Baustoff trifft. Um dieses zu erreichen, wird dem Turbinenläufer die Form zweier gegenläufigen Räder unter Vermeidung der Anwendung der bisher gebräuchlichen Turbinenschaufeln gegeben.
  • Die Räder des Läufers bestehen aus schwach kegeligen Metalltrichtern mit schmalem Rand, die zentrisch auf Achsen laufen und deren Hohlraum mit feuerfestem Baustoff ausgefüllt ist. In diesem sind schuppenartig übereinanderliegende, kreisförmig in einem spitzen Winkel zur Radfläche angeordnete Aussparungen vorgesehen, deren Form der gewünschten radialen Strahlrichtungsänderung entspricht. Im Gegensatz zu bekannten gegenläufigen Turbinen, bei denen der Strahl zwischen den Rädern auf besonders angebrachte Schaufeln trifft, so daß er sich schlangenförmig parallel mit der Laufrichtung durcharbeitet, ist die vom Strahl gebildete schlangenförmige Fläche nun spitzwinkelig zur Laufrichtung gerichtet, und der Strahl trifft nicht zwischen den Radflächen befindliche Schaufeln, sondern innerhalb der Läuferflächespaltartige Einsparungen, wobei er sich in mehreren Geschwindigkeitsstufen von außen nach innen bewegt, um schließlich nahe dem Zentrum auszuströmen. Die Radflächen aber rücken bis auf wenige Zehntel Millimeter Spiel zusammen.
  • Der Erläuterung der Strahlführung dienen die Fig. i, 2 und 3 der Zeichnung. Diese stellen Schnitte durch die Beaufschlagung dar: Die Fig. i einen Schnitt durch den äußersten Einschnittkreis und den Düsenkranz, die Fig. a einen Schnitt durch den ersten Übergang von einem Einschnittkreis des einen Läuferrades in den anderen des Gegenrades und die Fig.3 einen senkrechten Schnitt im Winkel der Beaufschlagungs- zur Laufrichtung. a ist das Laufrad der einen, b dasjenige der entgegengesetzten Richtung; c bezeichnet den Düsenkranz, d eine Düse. Die jeweilige Strahlrichtung ist durch Pfeile angegeben, so daß sich weitere Erläuterungen erübrigen.
  • Da nun erfindungsgemäß der wirksame Strahl die Düsen ungekühlt mit einer Temperatur zwischen i Zoo bis i q.oo° C verläßt und in annähernd der gleichen Temperatur die Beaufschlagung durcharbeitet, andererseits ein dem Baustoff nachkühlender Strahl von Kühlluft möglichst gar nicht oder doch nur kürzeste Zeit einwirken soll, wird sich der feuerfeste Baustoff gleichfalls auf solche Temperaturen erwärmen. Die die Fliehkräfte auffangende Metallhülle würde mit der Zeit :die gleiche Temperatur annehmen und ihre Festigkeit verlieren. Es ist daher notwendig, die Metallteile zu kühlen. Dieses wird dadurch erreicht, daß die Außenseiten der Läuferräder durch angegossene Schaufeln als Kreiselgebläse ausgestaltet sind. Die Gebläseschaufeln saugen nun ständig Kühlluft von außen an und geben die überschüssige Wärme an den Luftstrom ab. Dieser wird verdichtet und dient auf der einen Seite der Beschickung der Verbrennungskammern mit vorgewärmter Frischluft; auf der Gegenseite dagegen befinden sich nahe der-Achse des Läuferrades die Ausströmungsöffnungen der Abgase, wogegen der Frischluftzustrom geregelt werden kann. Die heißen Abgase mischen sich mit dem Frischluftzustrom, werden hierbei stark abgekühlt und verkleinern ihr Volumen. Durch mehr oder minder starke Drosselung des Frischluftzustromes wird infolge der Saugwirkung der Gebläseschaufeln ein mehr oder minder starker Unterdruck in der Beaufschlagung erzielt, während die die Turbine verlassenden Abgase in einer für den sie umgebenden Baustoff unschädlichen. Temperatur abströmen. Die Temperatur der Metallteile hält sich somit in den Festigkeitsgrenzen, während innerhalb der Beaufschlagung selbst die volle Arbeitstemperatur herrscht.
  • Die Fig. q. zeigt beispielsweise eine Lösung. Fig. q. zeigt eine Turbine im Schnitt. a und b stellen die Läuferräder dar. Der Radius des Laufrades b ist kleiner, so daß über den im Gehäuse fest gelagerten Düsenring c die oberste Einschnittreihe des Laufrades a beaufschlagt wird. e ist die Achse des Laufrades a, f dieselbe des Laufrades b; g sind Düsen, h die tragenden Metallkörper, i das feuerfeste Futter, h die Kreiselgebläseschaufelwerke, L die der Zuführung von Außenluft dienenden Kanäle, m Kanäle, durch die die Auspuffgase in das Gehäuse treten.
  • Durch die Düsen g wird der Verbrennungsgasstrahl in die :äußerste Einschnittreihe des Laufrades a im spitzen Winkel zur Laufrichtung tangential eingeblasen. Die Form der Einschnitte führt ihn in radialer Richtung zurück, bis er in die äußerste Einschnittreihe des Laufrades b tritt, wo er wiederum radial zurückgeführt und an die zweite Einschnittreihe des Laufrades a abgegeben wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, so daß der Strahl schließlich aus dem Laufrad b nahe der Achse durch die Ausströmungskanäle nz abgegeben wird. Bei der beispielsweise dargestellten Turbine sind fünf Geschwindigkeitsstufen und acht Düsen vorgesehen.
  • Wenn bisher Einzellösungen bekannt wurden; so ist doch eine Maschine, bei deren Wirkungsweise sämtliche der beim Bau von Brennkraftturbinen bekanntgewordenen grundsätzlichen Schwierigkeiten Berücksichtigung gefunden haben, noch nicht bekannt. Auch die grundsätzlichen Fragen, Vermeidung energievernichtender Kühlmaßnahmen sowie die Aufgabe größtmöglicher Nutzung der hohen Strömungsgeschwindigkeiten in eileer Bauart, finden zusammengefaßt ihre Lösung.
  • Durch die Erfindung soll also erreicht werden, daß die mechanischen und physikalischen Eigenschaften eines zur Verbrennung gebrachten - Kraftstoffes so weitgehend in einer einheitlichen Bauart Berücksichtigung finden, daß eine weitgehende Steigerung des Wirkungsgrades, d. h. sparsamster Verbrauch des Kraftstoffes bei größtem Nutzen an Energie, zu erwarten ist. Die Erfindung besteht also darin, daß unter Berücksichtigung der Erfahrungen des Turbinenbaues folgende im einzelnen bekannte Merkmale in einer Maschine zusammengefaßt werden: a) radiale Beaufschlagung und Gegenläufigkeit, b) Anwendung feuerfesten Baustoffes unter Berücksichtigung seiner Festigkeitseigenschaften, c) Erzeugung .einer vorgewärmten Verdichtung unter Ausnutzung zur Baustoffkühlung und als neues Merkmal hinzugefügt "vird: d) Beugung des Strahles unter Fortfall eingesetzter Schaufeln im- Baustoff des Läufers selbst durch zur Laufrichtung spitzwinkelige Führung des Brennkraftstrahles, woraus folgende im einzelnen bekannte Wirkungen sich vereinigen und gegenüber den bekannten Vorrichtungen einen erhöhten Nutzeffekt gewährleisten: a) der wirksame Brennkraftstrahl durchströmt die Turbine ungekühlt, wodurch die ihm entsprechend dem Ablauf der Verbrennung innewohnende Kraft ungemindert auf die Beaufschlagung wirkt; er berührt nur feuerfesten Baustoff, welcher seinen Beanspruchungen standhält; b) die physikalischen und mechanischen Vorbedingungen für die Verwendung feuerfesten Baustoffes sind gegeben; c) die Erzeugung der vorgewärmten Verdichtungsluft für die Verbrennungskammern wird gleichzeitig zur Kühlung der tragenden Metallflächen ausgewertet; d) die in den Abgasen enthaltenen Wärmemengen werden vernichtet, erzeugen einen den Wirkungsgrad und den Abstrom der Gase fördernden Unterdruck in der Beaufschlagung ; die Abgase selbst verlassen die Maschine in ungefährlichen Temperaturgrenzen; e) größtmögliche Raumersparnis wird erreicht, indem .eine große Anzahl Stufen in nur zwei Laufrädern untergebracht werden, was wiederum für die Herabsetzung der Umdrehungszahlen vorteilhaft ist; f) verhältnismäßig geringe Umdrehungszahlen können die volle Leistung der Maschine gewährleisten, da die Gegenläufigkeit der Räder die Geschwindigkeiten -erhöht; g) die Betriebssicherheit des Läufers ist erhöht, da die Kraftumsetzung nicht in einzeln angebrachten Schaufeln, sondern im Baustoff des Läufers selbst vor sich geht; h) die Herstellung des Läufers ist vereinfacht.

Claims (1)

  1. hATL:NTANSYRUCfi Läufer für hochtemperaturbeanspruchte Turbinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Bewegungskraft des Verbrennungsstrahles bei radialer Beugung in gegenläufigen Turbinenrädern vor sich geht, wobei folgende Maßgaben im Läufer vereinigt sind: a) daß der Verbrennungsgasstrahl wechselseitig, im zur Laufrichtung spitzen Winkel einfallend, in ringförmig angeordneten, schuppenähnlichen Einschnitten der Turbinenräder radial zurückgeführt wird, b) daß der Verbrennungsgasstrahl die Beaufschlagung ungekühlt durchläuft, ohne anderen als feuerfesten Baustoff zu berühren, welcher, seinen physikalischen und mechanischen Eigenschaften Rechnung tragend, als Futter eines metallischen Radkörpers ausgebildet ist und keiner Nachkühlung bedarf, c) daß die Außenseiten der metallischen Radkörper als Kreiselgebläse ausgebildet sind, so daß sie außer der Eigenkühlung auf der einen Seite der Erzeugung der Verdichtung, auf der Gegenseite der Vernichtung der ausströmenden Wärmemengen und der Erzeugung eines Unterdruckes innerhalb der Beaufschlagung dienen können.
DES128368D 1937-08-11 1937-08-11 Laeufer fuer hochtemperaturbeanspruchte Turbinen Expired DE678449C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2616253A (en) * 1945-02-23 1952-11-04 Terce Paul Joseph Jean Constant torque gas turbine with counterrotating elements and speed controlled fuel and air supply

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2616253A (en) * 1945-02-23 1952-11-04 Terce Paul Joseph Jean Constant torque gas turbine with counterrotating elements and speed controlled fuel and air supply

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