DE68924108T2

DE68924108T2 - Eine regenerative Turbomaschine.

Info

Publication number: DE68924108T2
Application number: DE68924108T
Authority: DE
Inventors: Alan Moore
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2009-07-25
Also published as: GB8817789D0; US4978277A; JP2865716B2; JPH0278787A; DE68924108D1; EP0353002A3; EP0353002B1; CA1311929C; EP0353002A2

Description

Diese Erfindung betrifft regenerative Turbomaschinen und bezieht sich insbesondere, aber nicht ausschließlich auf Verbesserungen oder Abwandlungen der in der Patentschrift Nummer FR-A-324837 beschriebenen regenerativen Turbomaschine.
Bei regenerativen Pumpen oder Verdichtern bekannter Ausführungsform strömt unter Druck zu setzendes oder zu komprimierendes Fluid durch eine Einlaßöffnung entweder axial oder schräg in ein kreisringförmiges Gehäuse oder einen Mantel, das bzw. der einen beschaufelten Rotor umschließt. Innerhalb des Mantels ist ebenfalls ein kreisringförmiger Kern enthalten, der so abgestützt ist, daß er von den Rotorschaufeln und von den Wänden des Mantels Abstand hat. Die Beschaufelung ist so ausgelegt, daß Luft (oder ein anderes Arbeitsfluid) in den kreisringförmigen Mantel angesaugt und in ihin mit einer spiraligen Bewegung um den Kern in der allgemeinen Richtung der Rotordrehung geleitet wird. Beim Umlauf um den Kern führt das Fluid wiederholte Durchläufe durch die Beschaufelung in einer ungefähr axialen Richtung aus, und bei jedem Durchlauf wird der Fluiddruck dadurch erhöht. Knapp vor der Einlaßöffnung ist eine Fluidauslaßöffnung vorgesehen, durch die das unter Druck stehende Fluid aus dem Mantel ausströmen kann. Zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung ist eine Ableiteinrichtung vorgesehen, die den Durchgang des Gases um den Mantel herum blockiert und an die äußeren Schaufelenden eng so angepaßt ist, daß das Druckfluid, das einen Umlauf um den Mantel beendet hat, einen geringstmöglichen Leckverlust zur Einlaßöffnung hin erfährt.
Der herkömmliche regenerative Verdichter ist in der Lage, ein Druckverhältnis von etwa 2:1 zu erzeugen, aber nur bei einem niedrigen isothermischen Wirkungsgrad von etwa 25 bis 35%, je nach Durchsatz und Auslegung der Maschine. Ein isothermischer Wirkungsgrad bis nahe 60% ist erreichbar, aber nur bei niedrigem Druckverhältnis von vielleicht etwa 1,2:1.
Der herkömmliche regenerative Verdichter ist somit keine sehr leistungsfähige Maschine, und ein großer Teil der Ineffizienz ist Verlusten im Bereich der Ableiteinrichtung zuzuschreiben, insbesondere
i) Leckagen durch die Ableiteinrichtung, welche die volle Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaß öffnung aufrechterhält, und
ii) dem Mitschleppen von Fluid in den Schaufeltaschen unter Auslaßdruck zurück zum Einlaß.
In dem Bestreben, das Mitschleppen zu reduzieren, sind Ausführungsformen mit sehr großer Dichtigkeit erzeugt worden, jedoch hat dies zu großen viskosen Verlusten und folglich zu kleinem oder gar keinem Nettogewinn an Wirksamkeit geführt. Ähnliche Überlegungen gelten für herkömmliche regenerative Pumpen.
In FR-A-324,837 wurde vorgeschlagen, eine mit gasförmigen Medien wie Gas, Luft oder Wasserdampf betriebene Turbine zu schaffen, bei der das Medium über den Rotor der Turbine in einer ungefähr radialen Richtung in bezug auf den Rotor geleitet wird. Dieses Dokument offenbart eine Turbine mit einem Rotor, der eine Gleichdruckbeschaufelung verwendet, und, wie in der Beschreibung angegeben, wird der Rotor vom Medium angetrieben. Bei Gleichdruckturbinen dieser Typen wird dem Wasserdampf oder Gas eine hohe Geschwindigkeit durch stromaufwärts vom Rotor angeordnete Düsen erteilt, und den Arbeitsfluidströmen, die durch den Rotor hindurchgeleitet werden, wird kinetische Energie ohne Druckänderung über der Breite des Rotors durch Ablenken der Fluidströme über große Winkel entnommen.
Gleichdruckturbinen des in FR-A-324,837 beschriebenen Typs werden für die Verwendung als Verdichter nicht als brauchbar betrachtet, weil der wesentliche Diffusionsprozeß die hohen Geschwindigkeiten und Ablenkraten in Verbindung mit einer Gleichdruckbeschaufelung nicht toleriert, und folglich sind die Verluste ausnahmslos ziemlich groß.
Außerdem gründet sich die Auslegung der in FR-A-324,837 dargestellten Turbine auf dem Kanalströmungskonzept und vermeidet folglich eine Berücksichtigung der Druckgradienten in Umfangsrichtung an den Strömungen innerhalb der Gleichdruckrotoren. Somit wird bei dieser älteren Gleichdruckturbine der Druck in jedem einzelnen Rotorkanal als ein einzelner gleichmäßiger Druckimpuls behandelt und der einzige Leckbereich zwischen jedem Kanal liegt in den Räumen stromaufwärts und stromabwärts vom Rotor.
Aus den vorstehend genannten Gründen kann FR-A-324,837 nicht als praktischer regenerativer Turboverdichter, auch nicht als regenerative Reaktionsturbomaschine (weder als Turbine noch als Turboverdichter) rekonstruiert werden.
Erfindungsgemäß umfaßt eine regenerative Turbomaschine
- ein beschaufeltes Laufrad mit Laufschaufeln,
- ein kreisringförmiges Gehäuse, welches das Laufrad umschließt und einen topologisch torischen Strömungskanal für ein Arbeitsfluid begrenzt,
- eine Einlaßöffnung zum Einströmenlassen von Arbeitsfluid in das Gehäuse,
- eine in Umfangsrichtung des Laufrades mit Abstand von der Einlaßöffnung angeordnete Auslaßöffnung, durch die das Arbeitsfluid das Gehäuse verlassen kann,
- und einen Leitapparat zum Leiten des in die Einlaßöffnung einströmenden Arbeitsfluides durch einen Schlupfströmungsweg und einen Gegenströmungsweg, die je einer spiralförmigen Bahn in entgegengesetzten Umfangsrichtungen um den torischen Strömungskanal folgen, und
- wobei im Schlupfströmungsweg aufeinanderfolgende Durchläufe ausgeführt werden, die das Arbeitsfluid den Lauf schaufein an Umfangsstellen wiederzuführen, die in der Richtung der beabsichtigen Laufraddrehung in Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind, und
- wobei im Gegenströmungsweg aufeinanderfolgende Durchläufe ausgeführt werden, die das Arbeitsfluid den Laufschaufeln an Umfangsstellen wiederzuführen, die in der der beabsichtigen Laufraddrehung entgegengesetzten Richtung in Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind, und
- jeder Strömungsweg die Laufschaufeln wiederholt in ungefähr radialer Richtung durchläuft,
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufeln vom Reaktions-Typ sind, bei denen das Arbeitsfluid bei jedem Durchlauf des Arbeitsfluides durch die Schaufeln eine Druckänderung zwischen den vor laufenden und den nachlaufenden Rändern der Schaufeln erfährt, um das Arbeitsfluid zu komprimieren, und stromaufwärts vom Laufrad ein den Einlauf am Einlaß zum Laufrad beeinflussender Spalt vorgesehen ist.
Zwar können die Laufschaufeln den torischen Strömungskanal in einem Umfangsstreifen schneiden, der an einer beliebigen vorbestimmten Stelle am Torus angeordnet ist, jedoch wird bevorzugt, daß die Position der Laufschaufeln so ist, daß sie eine radiale Ausströmung entlang dem torischen Strömungskanal erzeugen.
Der Schlupfströmungsweg und der Gegenströmungsweg werden vorzugsweise im Bereich der Auslaßöffnung vereinigt, wenngleich für jeden Weg eine zugehörige Auslaßöffnung denkbar ist, die von der anderen getrennt ist.
Der Vorteil der Erfindung ist am größten, wenn die Turbomaschine als Verdichter für ein Gas oder ein anderes kompressibles Arbeitsfluid verwendet wird.
Vorzugsweise sind ein oder mehrere Wärmetauscher in einem oder in beiden Strömungswegen zum AbfUhren von Kompressionswärme nach wenigstens einem der aufeinanderfolgenden Durchläufe vorgesehen.
Der Spalt stromaufwärts vom Laufrad wird zur Beeinflussung des Einlaufs am Einlaß zum Laufrad im Übergangsbereich zwischen jedem Durchlauf durch das Lauf rad benutzt. Es liegt in der Art der Arbeitsfluidströmung, daß ein solcher Spalt sowohl im Schlupf- als auch im Gegenströmungsweg nützlich sein wird, derart, daß er dazu dient, an jeder Laufschaufel beim Durchgang durch jeden Übergangsbereich eine konstante oder nahezu konstante Förderhöhe aufrechtzuerhalten.
Der Leitapparat kann eine oder mehrere Strömungsteilerschaufein an der Einlaßöffnung aufweisen, welche die Verteilung des Arbeitsfluides auf den Schlupf- und den Gegenströmungsweg unterstützen.
Zusätzliche Leitschaufeln können in jedem Durchlauf stromaufwärts vom Laufrad verwendet werden, um sicherzustellen, daß der bevorzugte Einlaufströmungswinkel beibehalten wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand nur beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin ist:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines regenerativen Verdichters zur Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Ansicht, die einen Schnitt in der durch die Mittelfläche des Laufrades gehenden radialen Ebene durch einen Abschnitt des Verdichters entsprechend Fig. 1 darstellt,
Fig. 3 einen Schnitt durch die Mittelebene im Laufrad und den zugehörigen Einlaß- und Diffusordurchlässen, entsprechend der Linie III-III in Fig. 4,
Fig. 4 eine Seitenansicht im Schnitt des Verdichters in einer durch seine Achse gehenden Ebene,
Fig. 5 typische Geschwindigkeitsdreiecke zur Darstellung des Arbeitsfluidstroms durch das Laufrad außerhalb der Übergangsbereiche sowohl für den Schlupf- als auch den Gegenströmungsweg des Verdichters entsprechend Fig. 3 und 4,
Fig. 6 einen Teilschnitt durch die Mittelebene im Laufrad und den zugehörigen Einlaß- und Diffusordurchlässen mit einer schematischen Darstellung der Art und des Ortes der Übergangsbereiche zwischen Durchläufen,
Fig. 7 eine schematische Darstellung von Durchlaufdruckverteilungen mit einer weiteren Darstellung der Übergangsbereiche zwischen Durchläufen,
Fig. 8 eine Seitenansicht im Schnitt eines zweistufigen Verdichters mit zwei Rücken an Rücken angeordneten Laufrädern, die in kaskadenartig verbundenen torischen Doppelströmungskanälen arbeiten, und
Fig. 9 ein Beispiel einer Entwurfsstromlinie.
Wie schematisch in Fig. 1 und 2 dargestellt, umfaßt ein erfindungsgemäßer regenerativer Verdichter ein Laufrad 1 für radiale Ausströmung, das entlang seinem Außenumfang mit Schaufeln 2 versehen ist. Ein kreisringförmiges Gehäuse 3 umschließt das Laufrad 1 und begrenzt einen torischen Strömungskanal für ein Gas oder ein anderes Arbeitsfluid. Wie nachstehend näher erläutert wird, bewahrt der Strömungskanal, wenngleich seine Gestalt von einem echten Torus beträchtlich abweichen kann, die topologische Gleichheit mit einem Torus. Bei einigen Ausführungsformen kann der torische Strömungskanal in einer Kaskadenverbindung doppelt angeordnet sein, wie zwei Rücken an Rücken angeordnete Tori zur Verwendung als mehrstufiger Verdichter mit zwei Laufrädern. Das Gehäuse 3 weist eine Einlaßöffnung 4 und eine Auslaßöffnung 5 für das Arbeitsfluid auf. An der Einlaßöffnung 4 kann eine Aufteilung des einströmenden Arbeitsfluides auf einen Schlupf strömungsweg 1/IS und einen Gegenströmungsweg 1/IC stattfinden. Das Arbeitsfluid strömt in das Gehäuse 3 durch die Einlaßöffnung 4 unter einem Hauptwinkel "A", bezogen auf die radiale Richtung, ein. Bei einem Hochdruck-Schnelläufer-Turboverdichter wird die Winkelgeschwindigkeitskomponente vorzugsweise in der Richtung der Laufraddrehung sein, um die relative Einström- Mach-Zahl zu verringern. Beim Durchlauf des Arbeitsfluides durch die Laufradbeschaufelung 2 wird an jedem Fluidstrom Arbeit geleistet. Das Arbeitsfluid führt einen Durchlauf radial nach außen durch die Laufradbeschaufelung 2 aus, jedoch unter einem Winkel schräg zum radialen Vektor, und wird durch eine Reihe von Diffusordurchlässen 1/DS, 1/DC, 2/DC usw., die von einer Reihe Leitschaufeln oder Durchlaufwänden 7 begrenzt sind, in der radialen Ebene aufgenommen und geleitet. Jeder Durchlauf kann durch eine Reihe von Schaufeln in eine Vielzahl Diffusoren unterteilt sein (wie z.B. in Fig. 3 dargestellt ist), wobei jeder Diffusor unter einem Winkel gegen die radiale Richtung geneigt ist, der nicht notwendigerweise mit der allgemeinen Neigung des Arbeitsfluidstroms durch die Laufradbeschaufelung 2 gleich ist. Der bevorzugte Diffusoreinstellwinkel "R" liegt üblicherweise zwischen 70 Grad und 50 Grad in bezug auf die radiale Richtung. In der Schlupfströmungsrichtung strömendes Fluid wird anfänglich im Durchlaß 1/DS aufgefangen und zum Wiedereinströmen in die Laufradbeschaufelung 2 durch einen Weg 2/15 an einer Stelle geleitet, die vom Einlaß 4 in der Schlupfrichtung weggerückt ist. Nach einer Vielzahl solcher Durchläufe wird das Fluid über die Auslaßöffnung 5 ausgeleitet.
Das Arbeitsfluid im Gegenströmungsweg wird anfänglich im Diffusordurchlaß 1/DC aufgefangen, nachdem es die Laufradbeschaufelung 2 in einer ungefähr radialen Richtung nach außen durchströmt hat. Dieses Arbeitsfluid wird so geleitet, daß es die Beschaufelung über einen Weg 2/IC ein zweites Mal durchströmt, der in die Laufradbeschaufelung 2 an einer Stelle wiedereinleitet, die vom Einlaß 4 in der Gegenströmungsrichtung weggerückt ist. In der Gegenströmungsrichtung strömendes Fluid wird dann im Diffusordurchlaß 2/DC aufgefangen und strömt in die Beschaufelung 2 bei 3/IC wieder ein usw. Nach einer Vielzahl solcher Durchläufe, in denen das Arbeitsfluid die Laufradbeschaufelung 2 an in Abständen aufeinanderfolgend in der Gegenströmungsrichtung angeordneten Stellen verläßt und wieder in sie einströmt, wird das Arbeitsfluid über die Auslaßöffnung 5 ausgeleitet.
Somit muß der Fluiddruck an den Auslässen der Schlupf- und Gegenströmungswege der gleiche sein, und die Fluidströme durch die beiden Wege sind somit selbstausgleichend. Es trifft nicht notwendigerweise zu, daß das Fluid auf den beiden Wegen die gleiche Anzahl Umläufe (d.h. Durchläufe durch die Laufradbeschaufelung) macht. Die Notwendigkeit der Blokkierung von Auslaß und Einlaß durch eine Ableiteinrichtung wird mit ihren begleitenden Nachteilen vermieden. Es leuchtet ein, daß nicht das gesamte Arbeitsfluid, das durch einen speziellen Einströmdurchlaß einströmt, notwendigerweise bei jedem Durchlauf durch einen speziellen Ausströmdurchlaß ausströmt; es bestehen einige Leck- und Mitschleppverluste.
Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch die Achse eines regenerativen Verdichters mit einem Zentrifugallaufrad und den Merkmalen entsprechend den anhand Fig. 1 und 2 beschriebenen Grundsätzen. Gemäß Fig. 3 umfaßt ein regenerativer Verdichter ein Gehäuse 10, in dem in Lagern 12 (sh. Fig. 4) ein Laufrad 11 gelagert ist. Das Laufrad 11 soll sich entsprechend Fig. 3 entgegen dem Uhrzeigersinn drehen. Das Laufrad 11 trägt eine Vielzahl von Schaufeln 13. In Fig. 4 ist eine Seitenansicht im Schnitt durch denselben Verdichter dargestellt. Das Gehäuse 10 bildet mit dem Laufrad 11 und der Laufrad-Grundplatte 14 ein kreisringförmiges Gehäuse. Der Abstand 15 zwischen den Laufschaufeln und dem Gehäuse 10 ist klein gehalten. Bei jedem Durchlauf durch die Maschine wird der Strom durch Durchlaßwände 16 und 17 zwangsgeleitet. Der Spalt zwischen der stromaufwärts gelegenen Durchlaßwand 16 und dem vorlaufenden Rand der Laufschaufeln 13 wird zur Beeinflussung des Einlaufs an der Laufschaufel benutzt, wenn sie durch den Druckgradienten im Übergangsbereich zwischen den Durchläufen durch den Verdichter hindurchgeht. Der Spalt zwischen der Durchlaßwand 16 auf der Einlaßseite und dem vor laufenden Rand der Laufschaufel im Gegenströmungsweg lenkt das Fluid in der Weise ab, daß die Schaufel entlastet, somit eine Strömungsablösung vermieden wird. Auf ähnliche Weise wird der Spalt im Schlupfströmungsweg die Belastung der Schaufel erhöhen, wenn sie durch den Übergangsbereich zwischen Durchläufen hindurchgeht, womit ein Förderhöhenverlust infolge des Querdruckgradienten in diesem Bereich ausgeglichen wird.
Die erforderliche Änderung des Einlaufs ist vom örtlichen Druckgradienten dp/dx abhängig. Bei einem Druckgradienten dieses Wertes am vorlaufenden Rand der Laufschaufel sollte dann die Änderung des Einlaufs an jedem Übergangsbereich so sein, daß sich eine inkrementelle Änderung der Schaufelförderhöhe von etwa
ergibt, worin
s = Schaufelabstand,
y = Schaufelstaffelwinkel,
p = örtliche Fluiddichte
VR = radiale Geschwindigkeitskomponente bedeuten.
In Fig. 6 sind die Übergangsbereiche zwischen Durchläufen im Bereich der Auslaßöffnung in dem regenerativen Vierfach- Durchlauf-Verdichter entsprechend Fig. 3 und 4 dargestellt. In Fig. 7 ist die Verteilung des Querdruckgradienten auf dem in Fig. 6 mit C1-C2 bezeichneten Kreisbogen schematisch dargestellt. Gemäß Fig. 4 sind Gasdichtungen 18 zwischen der Grundplatte 14 und dem Gehäuse 10 zur Verhinderung von Gasdurchtritt aus dem Gehäuse vorgesehen. Die Gasdichtungen 18 sind so auszulegen, daß sie zusätzlich zu ihrer üblichen Abdichtfunktion auch Leckverluste in Umfangsrichtung vom Hochdruck- zum Niederdruckteil des Turbomaschinen-Verdichters verhindern.
Das Gas kann in das Gehäuse 10 über ein (nicht dargestelltes) Zuführrohr einströmen, das zu einer Einlaßöffnung 19 führt, die mit dem Abschnitt des kreisringförmigen Gehäuses in Verbindung steht, der die Laufschaufeln 13 enthält. Eine Reihe von Leitschaufeln 20 leitet den Strom unter dem zweckdienlichen Winkel zum Laufrad. Die Geschwindigkeitsdreiecke für beide Ströme sind in Fig. 5 dargestellt, worin ul die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufel am vor laufenden Rand und u2 die am Außenradius, d.h. am nachlaufenden Rand der Laufschaufel darstellt. Der absolute Einström-Geschwindigkeitsvektor ist mit V1 und der am nachlaufenden Rand der Laufschaufel mit V2 bezeichnet. Der mittlere radiale Geschwindigkeitsvektor ist VR, wogegen auf das Laufrad bezogene Geschwindigkeiten am Einlaß und Auslaß mit W1 bzw. W2 bezeichnet sind. Wie dargestellt, erfordern die Geschwindigkeitsdreiecke eine Vorverwirbelung in Richtung der Laufraddrehung. Dies braucht nicht notwendigerweise so zu sein, aber die Einlaß-Leitschaufeln können mit Vorteil eine Vorverwirbelung in Richtung sowohl der Schlupf- als auch der Gegenströmung bewirken.
In diesem Falle dienen die Leitschaufeln 20 zum Leiten des Zustroms in die Richtung der Schlupfströmung. Das Arbeitsfluid durchströmt die Laufradbeschaufelung 13, wo an ihm Arbeit geleistet wird, um seinen Druck zu erhöhen, und verläßt bei diesem Beispiel die Laufradbeschaufelung an einer Stelle, die dem Einlaß im wesentlichen radial gegenüberliegt. Das Fluid wird aufgefangen in den Schlupf- und Gegenströmungsdurchlässen 1/DS bzw. 1/DC, die durch die Wand 17 voneinander getrennt sind. In den Durchlässen sind zusätzliche Schaufeln 21 angeordnet, die für die unterstützende Beeinflussung der Diffusion des Arbeitsfluidstroms ausgelegt sind. Sowohl die Schaufeln 21 als auch die Durchlaßwände 17 sind gegen die radiale Richtung unter einem Winkel geneigt, der durch den Entwurfswinkel des Ausströmungsvektors V2 bestimmt ist. Der Einstellwinkel der Diffusoren kann für die Schlupf- und Gegenströmungswege verschieden sein, um der verschiedenen Wirkung ungeleiteter Diffusion im Raum zwischen dem Laufradauslaß und dem Einlaß zu den Diffusoren Rechnung zu tragen. Die Schlupf strömung und die Gegenströmung werden durch die Diffusor-Durchlaßwände 17 und die Einströmführungs-Durchlaßwände 16 so gelenkt, daß sie die Laufradbeschaufelung 13 wiederholt ungefähr radial nach außen durchströmen, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Bei jedem Durchlauf wird der Druck des Gases aufgrund der an ihm durch die Laufschaufein 13 ausgeführten Arbeit erhöht.
Somit strömt die Schlupfströmung beispielsweise an der Einlaßöffnung 19 ein, ihr Druck wird durch das Durchströmen der Schaufeln 13 des sich drehenden Laufrades 11 erhöht, und sie verläßt das kreisringförmige Gehäuse 10 in der Schlupfrichtung. Das Fluid im Diffusordurchlaß 1/DS wird durch die innen angeordneten Schaufeln 21 geleitet, bis eine größtmögliche Diffusion erreicht ist. Der durch die Wände 17 im Durchlaß 1/DS gehaltene Fluidstrom wird dem Drehabschnitt 22 zugeleitet, in dem er um 180 Grad gedreht wird und dann über einen Durchlaß 23 zwischen Wänden geleitet wird, die ihn von benachbarten Durchlässen durch die Maschine trennen, derart, daß er in die Laufradbeschaufelung 13 über den zweiten Schlupfeinlaß 2/15 wieder eingeleitet wird, der in Umfangsrichtung in der Schlupfrichtung vom Einlaß 19 weggerückt ist, wenngleich in der Praxis einige Leck- und Mitschleppverluste entstehen. Sodann durchströmt der Schlupfstrom die Laufradbeschaufelung 13 erneut, wobei sein Druck weiter erhöht wird. Sodann findet im Diffusor-Durchlaß 2/DS eine gelenkte Diffusion statt. Nach Beendigung der kontrollierten Diffusion wird das Fluid beim gezeigten Beispiel über den Auslaß 2/DS zu einem (nicht dargestellten) Wärmetauscher geleitet, der als Zwischenkühler arbeitet, derart, daß von der durch den Kompressionsvorgang eingeleiteten Wärme der größte Teil abgeführt wird. Das Fluid wird dann über den dritten Schlupfeinlaß 3/IS zurückgeleitet, der in Umfangsrichtung in der Schlupfrichtung vom zweiten Schlupfeinlaß 2/IS weggerückt ist. Der Vorgang wird in einer Vielzahl von solchen Durchläufen je nach Bedarf mit oder ohne Umleitung durch einen Zwischenkühler zwischen den Durchläufen wiederholt, bis die Auslaßöffnung erreicht ist. Strömung in der Gegenstromrichtung geschieht auf ähnliche Weise; Fluid aus dem ersten Gegenströmungs-Diffusor-Durchlaß 1/DC wird zum zweiten Gegenströmungs- Einlaß geleitet und dann durch die Laufradbeschaufelung 13. Fluid aus dem zweiten Gegenströmungs-Diffusor-Durchlaß 2/DC wird bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 3 zu einem (nicht dargestellten) Zwischenkühler umgeleitet. Der Zwischenkühler kann derselbe oder nicht derselbe sein, der im Schlupfweg benutzt wird. Ist der Entwurf ausgeglichen, mit der Auslegung, daß der Druck in jedem Durchlauf in jeder Richtung der gleiche ist, kann es vorteilhaft sein, die Zwischenkühler für Schlupf- und Gegenströmung miteinander zu verbinden, um sicherzustellen, daß die Drücke in den entsprechenden Durchläufen erzwungen gleich sind. Beim Verlassen des Zwischenkühlers wird das Fluid im Gegenstrom zum dritten Einlaß 3/IC geleitet, der in Umfangsrichtung in Richtung der Gegenströmung vom Einlaß 2/IC weggerückt ist.
Die unmittelbare Nachbarschaft der Auslaßöffnung 24 einer Vierfach-Durchlauf-Einzellaufrad-Maschine ist in Fig. 6 dargestellt. Fluid vom dritten Schlupfströmungs-Durchlauf 3/DS wird zum vierten Einlaß 4/15 geleitet, wo sich mit ihm Fluid aus dem dritten Gegenströmungs-Durchlauf 3/DC im unmittelbar danebenliegenden Einlaß 4/IC vereinigt. Diese beiden Teilströme verbinden sich miteinander und strömen in die Laufschaufeln ein, wo Druck und Bewegungsgröße erhöht werden. Beim Verlassen des Laufrades wird der größte Teil des kombinierten Stroms in den mit 4/DS und 4/DC bezeichneten kombinierten Diffusor-Durchlaß ausströmen gelassen. Bei Erreichen des Endes des kontrollierten Diffusors strömen die beiden Ströme aus dem Ausströmrohr 25 entweder zu einem weiteren Laufrad hin oder endgültig aus der Turbomaschine aus. An dieser Stelle kann ein weiterer Zwischenkühler angeordnet sein, der je nach Zweckdienlichkeit die Aufgabe eines Zwischenkühlers oder eines Nachkühlers erfüllt.
In einem Gegenstrom-Verdichter ist es von Vorteil, wenn die Maschine so entworfen ist, daß die Aufrechterhaltung einer optimalen Strömung im Laufrad während einer Umdrehung angestrebt wird. Hierzu ist die Position jedes Durchlaufs stromabwärts vom Laufrad in bezug auf den ihm entsprechenden Durchlauf auf der stromaufwärts gelegenen Seite in der Weise gewählt, daß ein Gleichgewichtsstrom beibehalten wird. In Fig. 9 ist die Entwurfs-Stromlinie eines üblichen Durchlaufs durch das Laufrad skizziert. Stromaufwärts ist der Weg des die stromaufwärts gelegene Durchlaßwand 16 verlassenden Teilchens zwischen a und b aufgezeichnet. Die Stromlinie durch das Laufrad ist die der optimalen Stromlinie entsprechende mit, wie dargestellt, einem mittleren Strömungswinkel Bm = (B1+B2)/2, unter der Annahme eines Gleichgewichtsstroms im Laufrad, d.h. wie von b nach c skizziert. Die Einlaß- und Auslaß-Strömungswinkel B1 und B2 sind in den Geschwindigkeitsdreiecken entsprechend Fig. 5 dargestellt. Dem Weg des Teilchens stromabwärts wird dann nach Ausströmen aus dem Laufrad gefolgt. Bei einem rückwärts gekrümmten Verdichterlaufrad, wie dargestellt, ist der stromabwärts gelegene Durchlauf dann in bezug auf den stromaufwärts gelegenen in der der Drehung entgegengesetzten Richtung räumlich geneigt. Dies ist den bekannten Ausführungsformen von regenerativen Mehrfach-Durchlauf-Verdichtern, z.B. Tayler, US-Patent Nr. 3,869,220 von 3/1975, entgegengesetzt, bei denen der Entwurfsweg von dem absoluten Weg des Teilchens durch das Laufrad ausgeht. In diesem Fall ist der stromabwärts gelegene Durch lauf in bezug auf den stromaufwärts gelegenen in der Drehrichtung räumlich geneigt.
Der Spalt zwischen dem nachlaufenden Rand der stromaufwärts gelegenen Durchlaßwand 16 und dem vor laufenden Rand der Laufschaufeln 13 ist dazu bestimmt, die Änderung der Schaufelbelastung auszugleichen, die entsteht, wenn die Laufschaufel 13 durch den Druckgradienten zwischen den Durchläufen hindurchgeht. Der Fluidwinkel ist örtlich geändert, und der Einlauf in die Laufschaufel 13 ist im Gegenströmungsweg um einen Betrag verkleinert, der ausreicht, um sicherzustellen, daß sich die Strömung nicht von der Schaufel ablöst. Weil der Druckgradient zwischen den Durchläufen im Schlupfströmungsweg eine Reduzierung der Laufschaufel-Förderhöhe bewirkt, d.h., daß sie entlastet wird, erfüllt der Spalt dann die entgegengesetzte Funktion. Durch den Druckgradienten wird Fluid beim Durchströmen des Spalts in einer Weise abgelenkt, welche den Laufschaufeleinlauf örtlich um einen solchen Betrag erhöht, daß die Schaufelförderhöhe erhöht wird und den Förderhöhenverlust ausgleicht, der dem Druckgradienten an dieser Stelle zuzuschreiben ist. Das Bestreben besteht darin, an den Laufschaufeln 13 während einer Umdrehung eine konstante oder ungefähr konstante Förderhöhe aufrechtzuerhalten.
Um die Wirkung von Leckverlusten an den Grenzen zwischen Durchläufen, die eine Folge der Konstruktionslösung mit Gleichggewichtsströmung ist, so gering wie möglich zu halten, ist das Laufrad so ausgelegt, daß es von einer großen Zahl kleiner Schaufeln statt von einer kleineren Zahl großer Schaufeln bei einer bevorzugten Starrheit gebildet ist. Die kleinste Größe der Schaufeln wird dann durch herstellungstechnische Überlegungen bestimmt. Eine Hauptf orderung ist die Herstellung genauer Schaufelformen bei guter Oberflächengüte.
Weil es unerwünscht ist, daß die Durchläufe am Auslaß eines Verdichters sehr viel schmäler sind als die im Einlaß, ist es bei Verdichtern mit größerem Druckverhältnis von Vorteil, wenn mehr als ein Laufrad verwendet wird. Fig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der das Laufrad 26 mit hohem Druckverhältnis Rücken an Rücken mit einem Laufrad 27 kleinen Drucks angeordnet ist. In diesem Falle ist das Laufrad mit großem Druckverhältnis schmäler als das mit kleinem Druck. Es wird als Beispiel vorgeschlagen, daß bei einem absoluten Gesamtdruckverhältnis von 9:1 das Druckverhältnis bei jedem einzelnen Laufrad dann mit 3:1 gewählt wird. Ein vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die beiden Laufräder so ausgelegt werden können, daß sie mit größtem Wirkungsgrad arbeiten, wenn sie sich mit gleichen Geschwindigkeiten drehen.
Gegenüber der in der Patentschrift Nummer EP-0,135,365-A beschriebenen axialen Konfiguration sind die Abdichtungen bei der radialen Konfiguration der vorliegenden Erfindung vereinfacht. Gemäß Fig. 3 läuft das Laufrad bei geringstmöglichem Abstand zwischen den äußeren Enden der Schaufeln 13 und dem feststehenden Mantel 28 und folglich ist zusätzliche Gasabdichtung in diesem Bereich unnötig. Gasdichtungen 18 sind zwischen der Laufrad-Grundplatte 14 und dem Gehäuse 10 angeordnet, und zusätzlich zur Abdichtung im herkömmlichen Sinne sollte dafür gesorgt sein, daß die Strömung in Umfangsrichtung so klein wie möglich ist. Bei der in Fig. 8 dargestellten Anordnung Rücken an Rücken trennen radiale Dichtungen 29 an der Laufrad-Grundplatte den Hochdruckteil vom Niederdruckteil, wobei in dem Hohlraum zwischen den beiden Dichtungssätzen ein mittlerer Druck aufrechterhalten wird. Eine oder mehrere Gasdichtungen 30 auf der Welle stellen sicher, daß die Gaskompressionsseite von den geschmierten Lagern 31 getrennt ist.
In der Turbomaschine der Patentschrift Nummer EP-0,135,365-A war der Strom des Arbeitsfluides durch das Laufrad ungefähr axial, gefolgt von einer Begradigung und einer Ausdehnung des Stroms. Dies ergab eine vergrößerte Möglichkeit einer unerwünschten Stromtrennung. Die Turbomaschine der vorliegenden Erfindung bietet eine einfachere und kontrolliertere Diffusion.
Wenngleich im Vorstehenden bestimmte Änderungen und Abwandlungen der Erfindung beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und weitere Änderungen und Abwandlungen können angewandt werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Regenerative Turbomaschine, mit

- einem beschaufelten Laufrad (1; 11) mit Laufschaufeln (2; 13),

- einem kreisringförmigen Gehäuse (3; 10), welches das Laufrad (1; 11) umschließt und einen topologisch torischen Strömungskanal für ein Arbeitsfluid begrenzt,

- einer Einlaßöffnung (4; 19) zum Einströmenlassen von Arbeitsfluid in das Gehäuse,

- einer in Umfangsrichtung des Laufrades (1; 11) mit Abstand von der Einlaßöffnung (4; 19) angeordneten Auslaßöffnung (5; 24), durch die das Arbeitsfluid das Gehäuse (3; 10) verlassen kann, und

- einem Leitapparat zum Leiten des in die Einlaßöffnung einströmenden Arbeitsfluides durch einen Schlupfströmungsweg und einen Gegenströmungsweg, die je einer spiralförmigen Bahn in entgegengesetzten Umfangsrichtungen um den torischen Strömungskanal folgen, und

- wobei im Schlupfströmungsweg aufeinanderfolgende Durchläufe ausgeführt werden, die das Arbeitsfluid den Lauf schaufein (2; 13) an Umfangsstellen wiederzuführen, die in der Richtung der beabsichtigten Laufraddrehung in Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind, und

- wobei im Gegenströmungsweg aufeinanderfolgende Durchläufe ausgeführt werden, die das Arbeitsfluid den Laufschaufeln (2; 13) an Umfangsstellen wiederzuführen, die in der der beabsichtigen Laufraddrehrichtung entgegengesetzten Richtung in Abständen aufeinanderfolgend angeordnet sind, und

- jeder Strömungsweg die Laufschaufeln (2; 13) wiederholt in ungefähr radialer Richtung durchläuft,

dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschaufein (2; 13) vom Reaktions-Typ sind, bei denen das Arbeitsfluid bei jedem Durchlauf des Arbeitsfluides durch die Schaufeln (2; 13) eine Druckänderung zwischen den vorlaufenden und den nachlaufenden Rändern der Schaufeln (2; 13)erfährt, um das Arbeitsfluid zu komprimieren, und stromaufwärts vom Laufrad (1; 11) ein den Einlauf am Einlaß zum Laufrad (1; 11) beeinflussender Spalt vorgesehen ist.

2. Regenerative Turbomaschine nach Anspruch 1, bei der die Position der Laufschaufeln (2; 13) so ist, daß die Lauf schaufein (2; 13) eine radiale Ausströmung um den torischen Strömungskanal erzeugen.

3. Regenerative Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Schlupf strömungsweg und der Gegenströmungsweg sich an der Auslaßöffnung (5; 24) vereinigen.

4. Regenerative Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit wenigstens einem Wärmetauscher in einem der Strömungswege.

5. Regenerative Turbomaschine nach Anspruch 4, bei der wenigstens ein Wärmetauscher in jedem Strömungsweg vorhanden ist.

6. Regnerative Turbomaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Leitapparat wenigstens eine Strömungsteilerschaufel an der Einlaßöffnung (4; 19) aufweist, welche die Aufteilung des Arbeitsfluides auf den Schlupfströmungsweg und den Gegenströmungsweg unterstützt.