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Dampf- oder Gasturbine mit mehrfach vom gleichen Dampf- bzw. Gasstrom
beaufschlagtem Laufkranz Es ist aus dem Dampfturbinenbau bekannt, ein einkränziges
Laufrad vom gleichen Dampfstrom in wiederholten Durchgängen bei gleichbleibendem
Druck beaufschlagen zu lassen. Dabei handelt es sich um Gleichdruckstufen, bei denen
die Dampfgeschwindigkeit beim Austritt aus den Düsen etwa das Vier- bis Sechs- oder
Mehrfache der Umfangsgeschwindigkeit beträgt, und die Bauart ist unter dem Namen
Elektraturbine bekannt. Nach dem ersten Durchgang wird hier der Dampf von rückwärts
her wieder durch den Laufkranz geleitet, um im dritten Durchgang abermals das Laufrad
voll vorn zu beaufschlagen, bis die kinetische Energie des Dampfes aufgearbeitet
ist. Der mit einer solchen Vorrichtung erreichbare Wirkungsgrad ist sehr mäßig wegen
der durch die hohe Dampfgeschwindigkeit bedingten sehr großen Reibungs-und Umlenkungsverluste,
ferner wegen der starken Aufsplitterung des Dampfstrahls und weil wegen der gegensätzlichen
Durchströmrichtung bei den aufeinanderfolgenden Durchgängen die Laufschaufelung
nicht so ausgebildet werden kann, wie es zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades
notwendig wäre.
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Bei der Erfindung handelt es sich auch um ein vom gleichen Dampfstrom
mehrfach beaufschlagtes Laufrad; aber zum Unterschied von der bekannten Bauart erfolgen
die Durchgänge nicht bei gleichbleibendem Druck, sondern in aufeinanderfolgenden
Expansionsstufen. Die Dampfgeschwindigkeit bei Austritt aus den Düsen wird dabei
j eweils zum Zweibis Dreifachen derUmfangsgeschwindigkeitgewählt, so daß schon aus
diesem Grunde wesentlich bessere Wirkungsgrade als bei der alten Bauart erreicht
werden.
Außerdem wird das Laufrad immer vontler gleichen Seite beaufschlagt;
so daß die Laufschaufelung in bestmöglicher Weise nach strömungstechnischen Gesichtspunkten
gestaltet werden kann. Da hierbei nach jedem Durchgang des Dampfes (außer beim letzten)
eine Rückführung um den Laufkranz notwendig ist, wird diesem ein Leitkranz mit diffusorartig
erweiterten Kanälen nachgeschaltet, um die Austrittsgeschwindigkeit unter Druckanstieg
auf einen so niedrigen Wert zu verzögern, däß kein nennenswerter Reibungs- und Umlenkungsverlust
in den Rückführleitungen entsteht. Die Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsen wird
für alle Expansionsstufen ungefähr gleich groß gewählt; jede einzelne Expansionsstufe
wird zweckmäßig als Gleichdruckctufe ausgebildet, um am Laufrad keinen Axialschub
zu erzeugen. Um Zersplitterungs- und Spaltverluste nach Möglichkeit zu vermeiden,
müssen die einzelnen Durchgänge durch den Laufkranz unmittelbar nebeneinandergelegt
werden, und zwar so, daß die Druckabstufung nach beiden Seiten des Umfanges erfolgt.
Wenn dann an den Strahlgrenzen aus einem Durchgang höheren Druckes im Laufkranz
etwas Dampf in den benachbarten Durchgang niedrigeren Druckes überströmt, so nimmt
zwar dieser Dampf eine entsprechend höhere Geschwindigkeit an, aber seine Energie
wird trotzdem in ganz regulärer Weise in mechanische Arbeit umgesetzt. Wie bei einer
gewöhnlichen Regelstufe können so viele Dampfzuführungen vorgesehen werden, wie
man Regelventile ausführen will. Die Umfangsgeschwindigkeit des Laufkranzes wird
zweckmäßig zu etwa Zoo bis 25o m/s gewählt. Bei geeigneter Schaufellänge und Drehzahl
läßt es sieb immer erreichen, daß das Rad bei Vollast voll beaufschlagt ist, so
daß also keine Radkranzreibung eintritt. Eine unbedingte Notwendigkeit ist allerdings,
daß zur Unterdrückung übermäßiger Spaltverluste der Laufkranz nach innen wie nach
außen durch Spitzendichtungen gut abgedichtet wird und daß überhaupt die Spiele
am Laufkranz so klein wie möglich ausgeführt werden. Es assen sich mit einem solchen
Rad bei entsprechender Zahl der Durchgänge (Expansionsstufen) große Gesamtgefälle
aufarbeiten und dabei trotz kleiner Dampfmenge so gute Wirkungsgrade erreichen,
wie sie bei der gewöhnlichen vielstufigen Bauart nur bei viel größeren Dampfmengen
erzielt werden. Solche Maschinen sind daher für kleinere Leistungen besonders gut
geeignet. Ebenso gut eignet sich aber diese Bauart in Verbindung mit der gewöhnlichen
Bauart insbesondere für die Regelstufen von Maschinen mit vielstufigem Niederdruckteil.
Es wird im letzteren Fall vielfach zweckmäßig sein, eine solche Regelstufe als hochtourigen
Hochdruckteil mit Zahnradgetriebe dem normaltourigen Niederdruckteil vorzuschalten.
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In Fig. i und 2 ist an einem Ausführungsbeispiel im Längsschnitt gezeigt,
wie bei der neuen Bauart die konstruktive Gestaltung vorgenommen werden kann. Der
Frischdampf wird durch den Stutzen A eingeführt. Die Innenkontur der Zuführleitung
ist bis zur Einmündung in den Düsenvorraum i gestrichelt gezeichnet. Von hier aus
strömt der Dämpf im ersten Durchgang durch die Düsen des eingesetzten Leitkranzes
B; dann durch den Laufkranz C und schließlich durch den nachgeschalteten Leitkranz
D mit den diffusorartig erweiterten Kanälen, der hier ebenfalls eingesetzt ist,
aber auch eingegossen sein kann. Dann gelangt der Dampf in den Abströmraum 2, um
von hier aus durch die Rück-' strömleitung E wieder vor die Düsen des zweiten Durchganges
geführt zu werden. Dann wiederholt sich der Strömungsvorgang in der zweiten und
dritten und gegebenenfalls weiteren Expansionsstufen in ähnlicher Weise, bis nach
dem letzten Durchgang der Abdampf in den Sammelraum F tritt und von hier aus abgeführt
oder bei unmittelbarem Zusammenbau mit dem Niederdruckteil zur nachfolgenden gewöhnlichen
Stufe geleitet wird. Die Fig. 2 unterscheidet sich in der Beschaufelung dadurch
etwas von Fig. i, daß bei Fig. 2 im Gegensatz zu Fig. i deckbandlose Beschaufelung
des Laufkranzes angenommen ist.
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Aus Fig. 2 ist auch der Aufbau der Maschine ersichtlich. Der Gehäuseteil
I ist hier der feststehende Hauptteil des Gehäuses, der auf dem Fundamentrahmen
abgestützt ist und im vorliegenden Fall keine horizontale Teilfuge zu haben braucht.
Der Gehäuseteil II nebst Lagerung IV ist nach vorn abnehmbar. Auch die Stopfbüchseneinbauten
VI sollen nach vorn herausziehbär sein. In ähnlicher Weise sind auch die hintere
Lagerung III sowie der hintere Stopfbüchseneinbau V nach hinten abnehmbar. Natürlich
könnte die Konstruktion auch so getroffen sein, daß der Gehäuseteil II als feststehender
Hauptteil ausgebildet und der Gehäuseteil I nach hinten abnehmbar ist.
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In Fig. 3 ist ein zylindrischer Rundschnitt durch die Beschaufelung
in der Abwicklung schematisch dargestellt, aus dem die Dampfführung ersichtlich
ist. Wie bereits erwähnt, wird der Frischdampf durch den Stutzen Ä zu dem Düsenvorraum
i geführt, um in den Düsen B zu expandieren, im Laufkranz C mechanische Arbeit zu
erzeugen und im nachgeschalteten Leitkranz D auf eine kleine Geschwindigkeit verzögert
zu werden, mit der er in den Abströmraum 2 des ersten Durchganges eintritt. Es ist
natürlich darauf zu achten, daß der Raum :2 gegenüber dem Raum i dem absoluten Dampfweg
entsprechend in Umfangsrichtung um den richtigen Betrag versetzt ist. Aus dem Abströmraüm
2 muß der Dampf durch die Rückführleitung E des ersten Durchganges vor die Düsen
des zweiten Durchganges geleitet werden. Dabei ist hier eine Teilung des Dampfes
vorgesehen, wobei die eine Hälfte dem Düsenvorraum 3, die andere dem Vorraum 3'
zugeführt wird und die Räume 3 und 3' unmittelbar zu beiden Seiten des Vorraumes
i angeordnet sind. Der Verlauf der Begrenzungswände El und Ei für die Rückführleitung
des ersten Durchganges ist in Fig. 3 gestrichelt angegeben. Aus dem Vorraum 3 strömt
der Dampf im zweiten Durchgang durch die Beschaufelung in den Abströmraum 4, dann
durch die Rückstromleitung mit den gestrichelt angedeuteten Begrenzungswänden
El
und E2 zum Vorraum 5 für den dritten Durchgang, um abermals durch die Beschaufelung
in den Abströmraum 6 und von hier in den allgemeinen Sammelraum F zu treten. In
ähnlicher Weise durchströmt die andere Dampfhälfte in wiederholten Durchgängen durch
die Beschaufelung aus dem Vorraum 3' in den Abströmratim q.', dann wieder zum Vorraum
5' und schließlich durch den Raum 6' in den Sammelraum F. Der Verlauf der Begrenzungswände
El' und EZ für die Rückströmleitungen ist auch hier gestrichelt angedeutet.
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In Fig. q. ist für ein anderes Ausführungsbeispiel der Rundschnitt
durch die Beschaufelung schematisch dargestellt, wo der eingeführte Dampfstrom nicht
geteilt wird, sondern bei dem zwei Dampfzuführstellen A und A' unmittelbar
nebeneinander angeordnet sind, so daß auch die beiden Düsenvorräume i und i' nebeneinanderliegen.
Im weiteren Verlauf entspricht hier die Dampfführung völlig derjenigen von Fig.3,
wobei die Begrenzungswände El, E2, E2 , E3 und E3 für die Rückführleitungen wieder
gestrichelt angegeben sind.
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In Fig.5 ist noch ein örtlicher Querschnitt durch die Beschaufelung
an der Stelle einer Trennwand W zwischen verschiedenen Düsenvorräumen gelegt. Die
Ausführung könnte an der Trennstelle so getroffen sein, daß in Fortführung der Trennwand
W ein normales Düsenblech mit dünnen Enden verwendet wird. Dann könnte aber im Laufkranz
C eine verhältnismäßig große Dampfmenge aus einem Durchgang höheren Druckes überströmen,
wobei zwar immer noch, wie bereits erwähnt, die Energie dieses Dampfes zur Erzeugung
mechanischer Arbeit ausgenutzt wird, aber wahrscheinlich doch mit schlechterem Wirkungsgrad
als beim übrigen Dampf. Um diese Überströmung zu vermeiden, muß die Trennwand W
nach Fig. 5 in einem dicken Düsenblech fortgesetzt werden, wobei die schräge Endfläche
B1, B2 gerade einer Laufschaufelteilung entspricht. Dann ist ein Durchgang höheren
Druckes auch beim Laufkranz trotz der Schaufelbewegung stets durch eine Laufschaufel
vom benachbarten Durchgang niedrigeren Druckes getrennt, so daß eine Überströmung
des Dampfes unmöglich ist, abgesehen von den schmalen Spaltquerschnitten vor und
hinter dem Laufkranz. Auch bei der Einströmung in den nachgeschalteten Leitkranz
D empfiehlt es sich, ein entsprechend dickes Schaufelblech D' vor der nachfolgenden
Trennwand W' für die benachbarten Abströmräume einzusetzen.
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Es ist anzustreben, daß die Schaufelteilung in den Düsengruppen der
verschiedenen Durchgänge überall den gleichen oder nahezu gleichen Wert besitzt,
trotz der verschiedenen Längen des jeweils beaufschlagten Bogens, was sowohl aus
Herstellungsgründen als auch aus strömungstechnischen Gründen erwünscht erscheint.
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Um möglichst kleine Spiele ausführen zu können, ist eine möglichst
gleichmäßige Gehäusetemperatur über den Umfang bei dieser Maschine von besonders
großer Bedeutung. Aus diesem Grunde sind nach Fig. 2 auf beiden Seiten des Laufrades
Ringräume R1, R2 im Gehäuse vorgesehen, die mit Heißdampf gefüllt sind, als welchen
man entweder Stopfbüchsendampf verwenden kann, wie hier geschehen, oder auch Frischdampf.
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Für den sicheren Betrieb dieser Maschine ist es von Bedeutung, daß
in den Traglagern keine nach aufwärts gerichtete Auflagerkraft entstehen kann. Die
Möglichkeit dazu wäre durch die Wirkung des unterschiedlichen Dampfdruckes in den
verschiedenen Durchgängen gegeben, durch den unausgeglichene Radialkräfte am Laufradkranz
verursacht werden könnten. Bei Vollast kann ein vollständiger Ausgleich dieser Radialdrücke
erzielt werden, wenn die Dampfzuführstellen gleichmäßig über den Umfang verteilt
sind. Bei Teillast soll die Schaltung der Dampfzuführung so getroffen werden, daß
die resultierende Radialkraft stets senkrecht oder schräg nach unten gerichtet ist,
um nicht den Lagerdeckel zu belasten.
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Die Dampfströmung durch die Beschaufelung kann sowohl in axialer Richtung
erfolgen, wie bei den hier gewählten Ausführungsbeispielen angenommen, als auch
in radialer Richtung.