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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.