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Teilweise beaufschlagte Turbine für gasförmige Arbeitsmittel Die Erfindung
bezieht sich auf eine teilweise, insbesondere axial beaufschlagte Turbine für gasförmige
Arbeitsmittel, bei welcher die nicht von den Gasen beaufschlagten Laüfradschaufeln
von der Luft des freien Außenraumes kühlend beaufschlagt werden, und bezweckt eine
weitere Verbesserung derartiger Turbinen und eine Verbesserung des Wirkungsgrades
derselben. Insbesondere sollen durch die Erfindung die Wirbel- und Gasverluste beim
Eintritt des Gases bz w. der Luft in die umlaufenden Schaufeln verringert und die
Kühlung der Schaufeln bzw. des Schaufelrades verbessert werden.
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Erfahrungsgemäß hat ,speziell bei stark abgestumpfter Schaufeleintrittskante
die Strömung das Bestreben, parallel zur Eintrittskante senkrecht zur eigentlichen
Strömungsrichtung auszuweichen, wodurch die Energieumsetzung verschlechtert wird.
Diese Erscheinung kann man dadurch wirksam bekämpfen, daß man z. B. durch geeignete
Wahl der Winkel- und Geschwindigkeitsverhältnisse oder durch Anwendung einer schrägen
Außenbegrenzung der Schaufel dafür sorgt, daß die Laufschaufelei.ntrittshöhe nicht
.allzuviel =größer ausfällt als die Lei-tschaufelaustrittshöhe, öder daß zur Führung
des aus den Leitschaufeln in die Laufschaufeln übertretenden Gases oder der übertretenden
Luft den Spalt zwischen den Leitschaufeln und den Laufschaufeln begrenzende, stillstehende
oder mitumlaufende, die Strömung seitlich begrenzende Kanten oder Wandungen auf
der Eintrittsseite der Laufschaufeln vorgesehen werden. Zweckmäßig
werden
die Begrenzungswandungen als auf einer oder auf beiden Seiten des Laufrades angeordnete
Rippen ausgebildet, von denen auch mehrere konzentrisch zueinander angeordnet sein
können. Hier-5 durch wird eine seitliche Abströmung über die Enden der Laufschaufel
hinaus verhindert. Gleichzeitig können derartige, z. B. die Leitschaufeln für das
Gas nach innen begrenzende Wandungen oder Rippen in besonders vorteilhafter o Weise
zur Führung des Kühlluftstromes und zur verstärkten Kühlwirkung verwendet werden.
Insbesondere kann in Verbindung hiermit die radiale Erstreckung der Kühlluftzuführung
nach innen zu größer sein als die radiale Erstreckung der Lauf-; schaufeln, derart,
daß durch die Luft eine radial innerhalb der Laufschaufeln liegende Ringfläche des
Laufrades beaufschlagt wird, wobei die gegebenenfalls vorgesehenen Rippen beiderseits
kühlend umströmt werden und die Kühlluft nach innen zu ablenken können. Erfindungsgemäß
kann weiter der Axialspalt zwischen den Düsen und den Laufschaufeln auf der Luftseite
größer sein als auf der Gasseite.
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Die Ausbildung der den Spalt zwischen den Leit- und den Laufschaufeln
begrenzenden Wandungen als auf einer oder auf beiden Seiten des Laufrades angeordnete
Rippen, die nach innen zu vergrößerte radiale Erstreckung der Kühlluftzuführung
sowie die unterschiedliche Größe des Axialspaltes zwischen den Düsen und den Laufschaufeln
auf der Luft- und der Gasseite sind über die Anwendung auf Ausführungsformen gemäß
dem Anspruch i hinaus auch bei'anderen Turbinen mit Vorteil zu benutzen, wenn sie
auch bei Anordnungen nach dem Anspruch i besonders günstige Wirkungen haben.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Das Turbinenrad ca besitzt auf seinem Außenumfang Laufschaufeln b
(z. B. mit dem Querschnitt b'), welche innerhalb einer Begrenzungswand c mit möglichst
geringem Spiel umlaufen. Die Gase werden durch Düsen d mit der Austrittskante e
zugeführt. Die Begrenzung für die Luftzuführung wird durch die gestrichelte Linie
f angedeutet, wobei die Luftzuführung zur Gaszuführung auf dem Umfang versetzt anzunehmen
ist.
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Zur Vermeidung von Gasverlusten wird nun der Spalt g mit der axialen
Spaltbreite xb zwischen der Leitschaufelaustrittskante e und der Eintrittskante
h der Laufschaufel auf der Innenseite der Schaufel durch eine Rippe i begrenzt,
, und zwar nach Möglichkeit derart, daß das Spiel k zwischen den Leitschaufeln d
und der Rippe i so klein wie möglich ist. Die Rippe i wirkt hierbei im Sinne einer
Dichtung und verhindert, daß nennenswerte Gasmengen beim Austritt aus den Düsen
d unausgenutzt nach den Seiten entweichen können. Die Leitschaufelaustrittshöhe
ist demgemäß nur wenig kleiner als die Laufschaufeleintrittshöhe.
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Im Gegensatz hierzu kann es günstig sein, den Spalt xt zwischen den
Luftleitschaufeln und den Laufschaufeln wesentlich größer auszuführen, um hierdurch
die Umströmung der Laufschaufeleintrittskante günstiger zu gestalten.
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Andererseits ist die radiale Erstreckung yt der Luftzuführung durch
die im Abstand xt von der Laufschaufeleintrittskante h zurückgesetzten Kühlluftdüsen
f od. dgl. nach innen größer als die radiale Erstreckung yb der Laufschaufeln b,
derart, daß der durch die Luftzuführung f zugeleitete Luftstrom sich infolge der
Rippe i in zwei Teilströme teilt, von denen der äursere Teilstrom die Laufschaufeln
beaufschlagt, während ein zweiter innerer Teilstrom durch die Rippe i nach innen
abgelenkt wird und eine zusätzliche Kühlung des Laufschaufelrades bewirkt.
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Die Rippe i ist zweckmäßig mehr oder weniger angeschärft, so daß sich
der Luftstrom möglichst ohne Wirbel in die beiden Teilströme aufteilen kann. Zur
Vermeidung von unausgeglichenen Fliehkräften und ungleichmäßigen Kühlwirkungen usw.
wird zweckgemäß auf der Austrittsseite des Turbinenrades eine zur Rippe i symmetrisch
angeordnete und gleichartig ausgebildete Rippe j vorgesehen.
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Statt einer Rippe auf einer oder auf beiden Seiten des Turbinenrades
können auch mehrere zueinander konzentrische Rippen angeordnet werden. Die Rippen
können mit dem Laufrad aus einem Stück bestehen oder in geeigneter Weise angesetzt
sein.
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Die Anordnung derartiger Rippen in Verbindung mit einer über die Rippe
nach innen sich erstreckenden Kühlluftzuführung ermöglicht eine besonders wirksame
Kühlung des unter besonders hohen Temperaturen arbeitenden und durch Fliehkräfte
außerordentlich hoch beanspruchten Turbinenrades bzw. der an dem Rad angeordneten
Laufschaufeln. Die beiderseits von der Kühlluft umspülte Kühlrippe i kann besonders
lang ausgeführt sein. Durch die Rippe wird einerseits die Wärme gerade von der heißesten
Zone des Rades, nämlich vom Radrand bzw. aus den Schaufeln abgeleitet; andererseits
wird aber auch hierdurch die durch die ungleiche Raderwärmung zusätzlich auftretende
mechanische Beanspruchung im Rade gesenkt. Durch den sich sonst einstellenden starken
Abfall der Temperatur von außen nach innen kann nämlich die maximal auftretende
Spannung -erheblich über das Maß, welches bei konstanter Temperatur auftritt. anwachsen.
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Die Verwendung von langen, seitlich weit vorstehenden Rippen sowie
die Anordnung eines zwischen den Laufschaufeln und den Kühlluftdüsen vorgesehenen
verhältnismäßig großen Spaltes xt ist hierbei mit Rücksicht auf die an sich ungünstige
Beaufschlagungseichtung der Kühlluft aus strömungstechnischen Gründen nur günstig.
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Um die Kühlung von Rad und Schaufeln noch weiter zu verbessern und
Wärmespannungen am Rade durch Temperaturunterschiede der auf beiden Seiten des Rades
befindlichen Rippen zu vermeiden oder zu verringern, empfiehlt es sich unter Umständen,
den Läufer auch in an sich bekannter Weise auf der Rücleseite durch Fahrtwind zu
kühlen, wobei
die Kühlwirkung durch die auf der Radrückseite befindlichen
Rippen besonders .wirksam gemacht werden kann. - Ferner können die Schaufeln auf
ihrer Außenseite und (bzw. oder) auf ihrer Innenseite, wie bei L und
m schematisch angedeutet, schräg begrenzt sein, ihre radiale Breite sich
also in Strömungsrichtung vergrößern- Die äußere Üe= grenz.unäs«andung verläuft
in diesem Falle zweckmäßig ebenfalls entsprechend schräg, wie bei c' angedeutet,
unter Belassung eines möglichst geringen radialen Spieles zwischen der Außenbegrenzung
der Schaufeln und der Begrenzungswandung.