Beschreibungdescription
Strömungsmaschine und Verfahren zum Betrieb einer StrömungsmaschineFluid machine and method for operating a fluid machine
Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei ein Stromungs anal für eine Aktionsfluid gebildet ist, durch welches der Rotor antreibbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator und einem Strömungskanal.The invention relates to a turbomachine with a rotor and a stator, a flow being formed analogously for an action fluid, through which the rotor can be driven. The invention further relates to a method for operating a turbomachine with a rotor and a stator and a flow channel.
Es sind Strömungsmaschinen bekannt, beispielsweise konventionelle Dampfturbinen oder Gasturbinen, bei deren Bauformen üb- licherweise die Energieumwandlung mittels sogenannten Schaufelgittern oder Schaufelrädern erfolgt, die bei Durchströmen der Strömungsmaschine mit einem Aktionsfluid, z.B. Dampf oder Heißgas, den Rotor der Strömungsmaschine antreiben. Die dabei zum Einsatz kommenden Schaufelgitter haben die Funktion, in dem strömenden Aktionsfluid Druckenergie in kinetische Energie umzuwandeln sowie kinetische Energie in mechanische Energie umzusetzen. Diese Schaufelgitter werden üblicherweise als am Rotor befestigte Laufschaufelgitter oder als Leitschaufelgitter im Gehäuse ausgeführt.Turbomachines are known, for example conventional steam turbines or gas turbines, in the case of their designs the energy conversion is usually carried out by means of so-called vane grids or paddle wheels, which flow through the turbomachine with an action fluid, e.g. Steam or hot gas, drive the rotor of the turbomachine. The blade grids used here have the function of converting pressure energy into kinetic energy in the flowing action fluid and converting kinetic energy into mechanical energy. These vane grids are usually designed as rotor blades attached to the rotor or as guide vane gratings in the housing.
Für die Auslegung derartiger Schaufelgitter ist insbesondere bei hohen Temperaturen des durch den Stromungskanal strömenden Aktionsfluids neben der Strömungsoptimierung insbesondere die Festigkeit, beispielsweise von Schaufel und Schaufelbefe- stigung, zu beachten. Besondere Bedeutung besitzt dabei, dass die Festigkeitskennwerte der eingesetzten Hochtemperatur- Werkstoffe mit hohen Temperaturen deutlich abnehmen. Eine höhere Prozesstemperatur wird aber generell angestrebt, da hiermit eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Strömungsmaschine verbunden ist. Dieser Einfluss der hohen Betriebstemperatur auf die Festigkeitskennwerte der eingesetzten Werkstoffe gilt ebenfalls für die Rotoren thermi-
scher Turbomaschinen. Hierbei ist neben den Schaufeln der Rotor eines der höchst beanspruchtesten Bauteile, insbesondere da er bei Vorhandensein hoher Materialtemperaturen erheblichen Fliehkräften ausgesetzt ist. Rotorfliehkräfte wirken da- bei sowohl auf die Rotorwelle als auch auf die Laufschaufeln, die an der Umfangsfläche der Rotorwelle angeordnet sind. Darüber hinaus sind weitere Hochtemperatur-Einwirkungen auf Schaufeln oder Rotoren zu verzeichnen. Beispielhaft sei hier etwa auf die Hochtemperatur-Korrosion oder -Oxidation hinge- wiesen. Schaufeln für extrem hohe Anwendungstemperaturen, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln, werden daher teilweise aus einkristallinen Werkstücken hergestellt und bedürfen aufgrund der hohen Temperaturen des Aktionsfluids, z.B. des Heißgases, eines erheblichen Kühlungsbedarfs. Dazu wird ein Kühlmittelmassenstrom bereitgestellt, welcher im Falle einer Gasturbine beispielsweise einem der Gasturbine vorgeschalteten Verdichter als Verdichterentnahmeluft entnommen wird, die durch ein kompliziertes Kanal- und Bohrungssystem im Inneren einer Hohlschaufel zur Kühlung der Schaufel geführt wird (Drall-, Prall oder Filmkühlung) . Zusätzlich benötigen derartige Schaufeln für den Hochtemperatureinsatz in heißen, aggressiven Medien Wärmedämmschichten für die Wärmeisolation sowie Korrosionsschutzschichten. Dabei sind bei Gasturbinen Turbineneinsatztemperaturen des Heißgases von 1200 °C und darüber hinaus möglich. Bei Dampfturbinen betragen die typischen Prozessdaten etwa zwischen 540 °C bis 600 °C für die Frischdampftemperatur bei etwa 250 bis 300 bar Frischdampfdruck des einer konventionellen Hochdruck-Teilturbine zugeführten Dampfes.When designing such vane grids, in particular in the case of high temperatures of the action fluid flowing through the flow channel, in addition to the flow optimization, the strength, for example of vane and vane fastening, must be taken into account. It is particularly important that the strength values of the high-temperature materials used decrease significantly with high temperatures. However, a higher process temperature is generally sought, since this is associated with an increase in the thermodynamic efficiency of the turbomachine. This influence of the high operating temperature on the strength values of the materials used also applies to the rotors thermally turbo machines. In addition to the blades, the rotor is one of the most highly stressed components, especially since it is exposed to considerable centrifugal forces when high material temperatures are present. Centrifugal rotor forces act both on the rotor shaft and on the rotor blades, which are arranged on the circumferential surface of the rotor shaft. In addition, there are other high-temperature effects on blades or rotors. Examples include high-temperature corrosion or oxidation. Blades for extremely high application temperatures, such as gas turbine blades, are therefore partially made from single-crystalline workpieces and, because of the high temperatures of the action fluid, for example the hot gas, require considerable cooling. For this purpose, a coolant mass flow is provided, which in the case of a gas turbine is taken, for example, from a compressor upstream of the gas turbine as compressor extraction air, which is guided through a complicated channel and bore system inside a hollow blade to cool the blade (swirl, impact or film cooling). In addition, such blades for high-temperature use in hot, aggressive media require thermal insulation layers for heat insulation and corrosion protection layers. In the case of gas turbines, turbine operating temperatures of the hot gas of 1200 ° C. and beyond are possible. In steam turbines, the typical process data is between 540 ° C to 600 ° C for the live steam temperature at about 250 to 300 bar live steam pressure of the steam fed to a conventional high-pressure sub-turbine.
Die Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie sowie kinetische Energie in mechanische Energie unter Verwendung von Leitschaufelgittern und Laufschaufelgittern mit einer konventionellen Beschaufelung weisen daher gewisse Nachteile auf. Die Schaufeln besitzen naturgemäß fertigungsbedingt eine gewisse Wandstärke bzw. Dicke, die den effektiven Strömungsquerschnitt des Strömungskanals reduzieren. Dieser Effekt
wird auch als Versperrungseffekt bezeichnet. Des Weiteren kann durch die endliche Schaufelzahl keine optimale homogene Umlenkung des Aktionsfluids erfolgen. Daneben besitzen Schaufelgitter einen Strömungswiderstand, d.h. es bilden sich Grenzschichten an den Schaufeln aus, die zu Sekundärverlusten in den nachfolgenden Schaufelgittern führen und beispielsweise bei Verdichtern in Verbindung mit einer zusätzlichen Fehl- anströmung im Extremfall sogar eine Versperrung verursachen können. Wie bereits weiter oben diskutiert, sind aufgrund des Einsatzes von hochwertigen Hochtemperatur-Werkstoffen wegen der erhöhten Material und Fertigungskosten Schaufeln für den Einsatz in Hochtemperatur-Anwendungen sehr teuer und in ihrer Festigkeit begrenzt. Aufgrund der Festigkeitsgesichtspunkte bei den hohen Fliehkraftbelastungen von Laufschaufeln ist die Höhe der Schaufeln, d.h. die maximale Schaufelblattlänge, begrenzt. Im Falle eines Versagens einer Schaufel, beispielsweise infolge eines Ablösens vom Rotor aufgrund einer Überschreitung der maximal zulässigen Fliehkraftbelastung, können erhebliche Folgeschäden in der Strömungsmaschine auftreten. So können z.B. in einer axialen Strömungsmaschine insbesondere die in Strömungsrichtung des Aktionsfluids angeordneten nachfolgenden Schaufelgitter zerstört werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Beschaufelungen ist auf die stets auftretenden Spaltverluste zurückzuführen. Spaltmassenströme von Aktionsfluid, die zwischen einer Schaufel und einem derThe conversion of pressure energy into kinetic energy and kinetic energy into mechanical energy using guide vane grids and moving vane grids with conventional blading therefore have certain disadvantages. The blades naturally have a certain wall thickness or thickness due to the manufacturing process, which reduce the effective flow cross section of the flow channel. This effect is also known as the blocking effect. Furthermore, due to the finite number of blades, no optimal homogeneous deflection of the action fluid can take place. In addition, vane gratings have a flow resistance, ie boundary layers form on the vanes, which lead to secondary losses in the subsequent vane gratings and, in extreme cases, can even cause blockage in the case of compressors in connection with an additional incorrect flow. As already discussed above, because of the use of high-quality high-temperature materials, because of the increased material and manufacturing costs, blades for use in high-temperature applications are very expensive and their strength is limited. The height of the blades, ie the maximum blade length, is limited due to the strength considerations in the high centrifugal loads of rotor blades. In the event of a blade failure, for example as a result of detachment from the rotor due to the maximum permissible centrifugal force being exceeded, considerable consequential damage can occur in the turbomachine. For example, in an axial turbomachine, in particular the subsequent blade grids arranged in the flow direction of the action fluid can be destroyed. Another disadvantage of the known blading is due to the gap losses that always occur. Gap mass flows of action fluid that occur between a blade and one of the
Schaufel unter Bildung eines Spalts gegenüberliegenden Bauteil hindurchtreten, resultieren in einem Wirkungsgradverlust (Spaltverlust) . Um die Verluste möglichst gering zu halten müssen die Spaltmassenströme durch enge, fertigungstechnisch sehr aufwendig sicherzustellende Spiele begrenzt werden. Dabei darf ein minimales Spiel aus Gründen der Betriebssicherheit der Strömungsmaschine nicht unterschritten werden. Derartige Spaltverluste wurden beispielsweise in der Dissertation von Helmut Pollak „Experimentelle Untersuchungen der Strö- mungsvorgänge in axialen Kaltluftturbine unter besonderer Berücksichtigung der Radialspaltströme und ihre Einflussparameter", Rheinisch/Westfälische Hochschule, Aachen, untersucht.
In dem Buch „Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler, regenerativer und nuklearer Energiequellen" von K. Straus, 4. Auflage, Berlin, Heidelberg, Springer Verlag, 1998, Seite 363- 370 , sind magnetohydrodynamische Energiewandler sowie Kraftwerkskonzepte auf der Basis der magnetohydrodynamischen Energieumwandlung beschrieben. Das magnetohydrodynamische Prinzip als solches ist seit langem bekannt und wurde in der vorgenannten Literaturstelle bereits in Konzepte für Kraftwerke, sogenannte „MHD-Kraftwerke", eingebracht. Grundlage der magnetohydrodynamischen Energieumwandlung (MHD) ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion das auch bei der konventionellen Dynamomaschine genutzt wird. Nach diesem Prinzip wird in einem elektrisch leitenden Material eine Spannung indu- ziert, wenn sich dieses relativ zu einem Magnetfeld bewegt.Passing the blade through forming a gap opposite component results in a loss of efficiency (gap loss). In order to keep the losses as low as possible, the gap mass flows must be limited by tight games which are very complex to manufacture. A minimum clearance must not be undercut for reasons of operational reliability of the turbomachine. Such gap losses were examined, for example, in the dissertation by Helmut Pollak "Experimental investigations of the flow processes in axial cold air turbines with special consideration of the radial gap currents and their influencing parameters", Rheinisch / Westfälische Hochschule, Aachen. In the book "Power Plant Technology for the Use of Fossil, Regenerative and Nuclear Energy Sources" by K. Straus, 4th edition, Berlin, Heidelberg, Springer Verlag, 1998, pages 363-370, magnetohydrodynamic energy converters and power plant concepts based on magnetohydrodynamic energy conversion are described. The magnetohydrodynamic principle as such has been known for a long time and has already been introduced into concepts for power plants, so-called “MHD power plants” in the aforementioned literature reference. The basis of magnetohydrodynamic energy conversion (MHD) is the principle of electromagnetic induction, which is also used in the conventional dynamo. According to this principle, a voltage is induced in an electrically conductive material when it moves relative to a magnetic field.
Bei einem MHD-Generator strömt ein elektrisch leitendes Fluid durch das Magnetfeld. Infolge der Wirkung des Magnetfeldes kommt es in dem Fluid zu einer Separation ungleichnamiger Ladungen und damit zur direkten Umwandlung von potentieller Energie des Plasmas in elektrischen Strom. Die elektrische Leitfähigkeit ist dabei eine besonders wichtige Eigenschaft des Arbeitsmittels in MHD-Generatoren. Will man die Rauchgase aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe als Arbeitsmittel verwenden, müssen diese im Plasmazustand vorliegen, um elek- trisch leitend zu sein. Die atomaren Bindungen der Elektronen mit den Kernen sind in diesem Zustand aufgebrochen - das Gas besteht dann vorwiegend aus freien Elektronen und positiv geladenen Ionen. Die teilweise Ionisierung eines Gases erreicht man durch Erhitzen auf sehr hohe Temperaturen von größer als 2000 °C. Aus praktischen Gründen sollte die Leitfähigkeit mindestens 10 S/m betragen. In Verbrennungsgasen erreicht man solche Werte in dieser Größenordnung nur bei Temperaturen von 2000 bis 2500 °C unter Zusatz von leicht ionisierbarem Materialien wie Cäsium oder Kalium. Aufgrund des für ein MHD- Kraftwerk vorgesehenen Funktionsprinzips konnten diese Kraftwerkskonzepte allerdings nicht bis zur Einsatzreife entwik- kelt werden.
Das Prinzip des MHD-Generators nach diesem Konzept ist es, durch eine Verbrennung mit stark erhitzter Verbrennungsluft in einer druckführenden Brennkammer den Plasmazustand, einen Zustand, in dem positive Ionen und Elektronen im Gas vorliegen, zu erzeugen. Das heiße Plasma tritt beim Austritt aus der Kammer in einen sogenannten Diffusor ein. In diesen Dif- fusor werden die positiven Ionen und die Elektronen durch ein Magnetfeld zu unterschiedlichen Elektroden hin abgelenkt, wo die Elektronen absorbiert werden und die Ionen durch die Aufnahme von Elektronen ihre Ladung verlieren. Auf diese Weise wird direkt ein Ladungsfluss bewirkt, d.h. ein Strom erzeugt. Nach dem Austritt aus dem MHD-Generator ist das Gas immer noch sehr heiß, etwa 2300 K. Zur weiteren Ausnutzung dieser in dem heißen Gas verfügbaren Wärmeenergie wird mittels Wärmetauschern die zuströmende Verbrennungsluft auf ca. 2100 K vorgewärmt. Die verbleibende Wärmeenergie wird durch konventionelle Abhitzekessel einem nachgeschalteten Dampfprozess zugeführt. Dieses Konzept ist mit erheblichen Problemen be- haftet, die seiner praktischen großtechnischen Umsetzung bisher entgegenstehen:In an MHD generator, an electrically conductive fluid flows through the magnetic field. As a result of the effect of the magnetic field, charges of the same name are separated in the fluid and thus the potential energy of the plasma is converted directly into electrical current. The electrical conductivity is a particularly important property of the working fluid in MHD generators. If you want to use the flue gases from the combustion of fossil fuels as work equipment, they must be in the plasma state in order to be electrically conductive. In this state, the atomic bonds between the electrons and the nuclei are broken - the gas then consists mainly of free electrons and positively charged ions. The partial ionization of a gas is achieved by heating to very high temperatures of more than 2000 ° C. For practical reasons, the conductivity should be at least 10 S / m. Such values of this magnitude can only be achieved in combustion gases at temperatures of 2000 to 2500 ° C with the addition of easily ionizable materials such as cesium or potassium. However, due to the functional principle envisaged for an MHD power plant, these power plant concepts could not be developed until they were ready for use. The principle of the MHD generator according to this concept is to generate the plasma state, a state in which positive ions and electrons are present in the gas, by combustion with strongly heated combustion air in a pressure-carrying combustion chamber. The hot plasma enters a so-called diffuser as it exits the chamber. In this diffuser, the positive ions and the electrons are deflected by a magnetic field to different electrodes, where the electrons are absorbed and the ions lose their charge due to the uptake of electrons. In this way, a charge flow is caused directly, ie a current is generated. After exiting the MHD generator, the gas is still very hot, around 2300 K. To further utilize this heat energy available in the hot gas, the incoming combustion air is preheated to around 2100 K using heat exchangers. The remaining heat energy is fed to a downstream steam process by conventional waste heat boilers. This concept is fraught with considerable problems which have hitherto prevented its practical large-scale implementation:
So uss beispielsweise zur Erzielung eines Plasmas bei 2500 K, wie bereits oben beschrieben, das Gas mit leicht ionisier- baren Stoffen (Kalium, Cäsium) geimpft werden. Diese Alkalimetalle sind teuer und nur schwierig handhabbar. Überdies führen sie zur Verschmutzung und korrosiven Angriff der Wärmetauscherflächen, wie sie im Lufterhitzer und im Abhitzekessel vorgesehen sind. Weiterhin stellen die extrem hohen Tem- peraturen zur Erzielung des Plasmazustands erhebliche Herausforderungen an den MHD-Generator hinsichtlich geeigneter Hochtemperaturwerkstoffe. Davon betroffen sind auch Komponenten des Diffusors und der Wärmetauscher. Weiterhin muss man feststellen, dass der erreichbare Wirkungsgrad der derzeit bekannten und eingesetzten GUD-Kraftwerke inzwischen so hoch ist, dass eine große Wirkungsgradsteigerung mit der Technologie der MHD-Generatoren nur sehr schwierig zu erreichen wird.
Insofern konkurriert die Vorschaltung eines - technisch schwierig zu realisierenden - MHD-Generators vor den Dampf- kraftprozess mit der Vorschaltung einer großtechnisch bereits bewährten und akzeptierten Gasturbine. Auf dem Weg zu einer kommerziellen MHD-Anlage sind aber auch außerhalb des eigentlichen MHD-Generators schwierige Probleme zu lösen. Die meisten davon sind durch das hohe Temperaturniveau im Plasmakanal bedingt, für dessen Konstruktion alle bisher bekannten metallischen Werkstoffe ausscheiden. Auch bei den Elektroden haben Erosion, Korrosion und WärmeSpannungen die Betriebszeit auf weniger als 1000 Std. begrenzt. Trotz einer intensiven Forschung ist daher die kommerzielle Realisierung einer MHD- Anlage derzeit nicht abzusehen.For example, to achieve a plasma at 2500 K, as already described above, the gas can be inoculated with easily ionizable substances (potassium, cesium). These alkali metals are expensive and difficult to handle. In addition, they lead to contamination and corrosive attack of the heat exchanger surfaces, as are provided in the air heater and in the waste heat boiler. Furthermore, the extremely high temperatures to achieve the plasma state pose considerable challenges for the MHD generator with regard to suitable high-temperature materials. Components of the diffuser and the heat exchanger are also affected. Furthermore, it must be noted that the achievable efficiency of the currently known and used GUD power plants is now so high that it is very difficult to achieve a large increase in efficiency with the technology of the MHD generators. In this respect, the upstream connection of a - technically difficult to implement - MHD generator before the steam power process competes with the upstream connection of a gas turbine that has already been tried and tested on an industrial scale. On the way to a commercial MHD system, difficult problems can also be solved outside of the actual MHD generator. Most of these are due to the high temperature level in the plasma channel, for whose construction all previously known metallic materials are eliminated. With electrodes too, erosion, corrosion and thermal voltages have limited the operating time to less than 1000 hours. Despite intensive research, the commercial realization of an MHD system is currently not in sight.
In einer zusammenfassenden Würdigung der bisher bekanntenIn a summary assessment of the previously known
Konzepte kann man sagen, dass bei konventionellen Gasturbinen und Dampfturbinen die Schaufeln und Rotor, neben Brennkammerund Kesselbauteilen, zu den höchst beanspruchten Bauteilen derartiger Strömungsmaschinen zählen. Dabei ist insbesondere die Eintrittsbeschaufelung aufgrund der hohen Temperaturen des heißen Aktionsfluids besonders betroffen. Die Hochtemperatur-Festigkeit der Schaufelwerkstoffe begrenzt dabei mögliche Einsatztemperaturen und erfordert zum Teil technisch aufwendige Kühlungsmaßnahmen. Für die Hersteller von Gasturbinen und Dampfturbinen ist die Erhöhung der oberen Prozesstemperatur jedoch ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Wirkungsgradsteigerung. Sowohl im Bereich der Gasturbinen- als auch der Dampfturbinentechnologie sind zum Teil erhebliche Anstrengungen zur Anhebung der oberen Prozesstemperatur zu beobachten. Demgegenüber findet der Einsatz des magnetohydrodynamischen Effekts in den oben beschriebenen MHD-Kraftwerken wegen der unzureichenden Realisierbarkeit, vor allem wegen des nachteiligen Wirkungsprinzips und der technologischen Schwierigkeiten, bis heute keine großtechnische Anwendung.Concepts can be said that in conventional gas turbines and steam turbines, the blades and rotor, along with the combustion chamber and boiler components, are among the most stressed components of such turbomachines. The entrance blading is particularly affected due to the high temperatures of the hot action fluid. The high temperature strength of the blade materials limits possible operating temperatures and sometimes requires technically complex cooling measures. For the manufacturers of gas turbines and steam turbines, however, increasing the upper process temperature is an essential starting point for increasing efficiency. Considerable efforts to raise the upper process temperature can be observed in some areas of both gas turbine and steam turbine technology. In contrast, the use of the magnetohydrodynamic effect in the above-described MHD power plants is still not used on an industrial scale because of the inadequate feasibility, above all because of the disadvantageous principle of action and the technological difficulties.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Strömungsmaschine anzugeben, die die Nachteile der vorbeschriebenen bekannten Konzep-
te vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine anzugeben.The object of the invention is to provide a turbomachine which overcomes the disadvantages of the known concept described above. avoids. Another object of the invention is to provide a method for operating a turbomachine.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei ein Strömungskanal für ein Aktionsfluid gebildet ist, durch welches der Rotor antreibbar ist, wobei ein Magnet vorgesehen ist, der zum Erzeugen eines vorgebbaren Magnetfelds im Stromungs anal dient.The first-mentioned object is achieved according to the invention by a turbomachine with a rotor and a stator, a flow channel for an action fluid being formed through which the rotor can be driven, a magnet being provided which serves to generate a predefinable magnetic field in the flow anal.
Mit der Erfindung wird ein völlig neues Konzept für eine Strömungsmaschine beschrieben, bei der die Anwendung des magnetohydrodynamischen Effektes zur Ablenkung des Strömungsmediums innerhalb von Strömungsmaschinen anstelle von Schaufel- gittern erfolgt. Somit wird die Realisierung einer „MHD-The invention describes a completely new concept for a turbomachine, in which the magnetohydrodynamic effect is used to deflect the flow medium within turbomachines instead of vane grids. Thus the realization of an "MHD-
Turbine" oder eines „MHD-Verdichtersλλ möglich. Der magnetohydrodynamische Effekt bewirkt eine Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen eines Strömungsmediums im Stromungskanal der Strömungsmaschine. Zur Erzeugung eines definierten magne- tischen Felds ist der Magnet vorgesehen, der geladene Teilchen im Aktionsfluid gemäß der Lorenzkraft-Ablenkung ablenkt. Bewegt man eine elektrische Ladung mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einem vorgegebenen Magnetfeld, beschrieben durch die magnetische Induktion, so erfährt die elektrische Ladung eine Kraft. Diese Kraft steht immer senkrecht zur Geschwindigkeit. Geladene Teilchen im durch den Strömungskanal strömenden Aktionsfluid erfahren daher durch das von dem Magneten erzeugte definierte Magnetfeld eine Ablenkung, sofern das Magnetfeld zumindest eine Komponente senkrecht zur Bewe- gungsrichtung der geladenen Teilchen, d. h. der Strömungsrichtung des Aktionsfluids, aufweist. Geladene Teilchen werden im Idealfall eines unendlich ausgedehnten homogenen Magnetfelds auf eine Kreisbahn gezwungen. Bei Durcheilen eines endlichen, d.h. eines räumlich begrenzten Magnetfelds folgen die Teilchen somit einem Kreisbogen. Dieser Effekt wird gemäß der Erfindung ausgenutzt zur Ablenkung des Aktionsfluids selbst im Stromungskanal einer Strömungsmaschine. Durch den
Magneten ist ein sowohl zeitlich als auch räumlich definiertes Magnetfeld in dem Strömungskanal erzeugbar, was zu einer definierten Ablenkung geladener Teilchen im Aktionsfluid und durch einen Mitnahmeeffekt infolge Impulstransfers eine Ab- lenkung des Aktionsfluids selbst führt. Die Ablenkung erfolgt dabei vorteilhafter Weise in Form von durch das Magnetfeld vorgegebenen definierten Ablenkungsebenen zwischen Rotor und Stator, welche in Hauptströmungsrichtung des Aktionsfluids, beispielsweise in axialer Richtung im Falle einer Axialma- schine, eine begrenzte Ausdehnung besitzen (Lokalisierung des Magnetfeldes) . Die Bereitstellung einer magnetischen Ablenkungsebene für die geladenen Teilchen bzw. das Aktionsfluid durch das Magnetfeld ist in ihrer Wirkung einem konventionellen Schaufelgitter sehr ähnlich: Im Falle einer axialen Strö- rαungsmaschine erfolgt beispielsweise eine Ablenkung von überwiegend axialer Strömung des Aktionsfluids in einer Strömung mit sowohl axialer als auch tangentialer Komponente, dies aufgrund der Tatsache, dass aufgrund der Lorenzkraft den geladenen Teilchen senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eine tangentiale Komponente aufgeprägt wird. Diese Ablenkung ist mit einer Umwandlung von Druckenergie des Aktionsfluids in kinetische Energie, analog einem Leitgitter einer konventionellen Turbine, verbunden. In gleicher Weise ist es möglich von einer Strömung des Aktions- fluids mit axialer und tangentialer Komponente eine Umwandlung in eine überwiegend axiale Strömung - unter Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Arbeit, analog zu einem Laufgitter einer konventionellen Turbine - zu erzielen. Eine geeignete Magnetfeldkonfiguration mit räumlich und ggf. zeit- lieh durch den Magneten erzeugten Magnetfeld in dem Strömungskanal erlaubt mithin analog zu konventionellen Turbinen eine fortschreitende Expansion des Aktionsfluids unter Gewinnung von mechanischer Arbeit, die in Form von Rotationsenergie auf den Rotor übertragbar ist.Turbine "or a" MHD compressor λλ possible. The magnetohydrodynamic effect causes a deflection of electrically charged particles of a fluid in the flow channel of the turbomachine. The magnet is provided to generate a defined magnetic field, the charged particles in the action fluid according to the Lorenz force If an electric charge is moved at a certain speed in a given magnetic field, described by magnetic induction, the electric charge experiences a force, which is always perpendicular to the speed, so charged particles in the action fluid flowing through the flow channel experience through the defined magnetic field generated by the magnet is a deflection if the magnetic field has at least one component perpendicular to the direction of movement of the charged particles, ie the direction of flow of the action fluid extensive homogeneous magnetic field forced onto a circular path. When passing through a finite, ie a spatially limited magnetic field, the particles thus follow an arc. This effect is used according to the invention to deflect the action fluid even in the flow channel of a turbomachine. By the Magnets can be generated in the flow channel in both a temporally and spatially defined magnetic field, which leads to a defined deflection of charged particles in the action fluid and a deflection of the action fluid itself as a result of the entrainment effect due to impulse transfer. The deflection advantageously takes place in the form of defined deflection planes between the rotor and stator, which are defined by the magnetic field and which have a limited extent in the main flow direction of the action fluid, for example in the axial direction in the case of an axial machine (localization of the magnetic field). The effect of providing a magnetic deflection plane for the charged particles or the action fluid through the magnetic field is very similar to that of a conventional vane grille: in the case of an axial flow machine, for example, a mainly axial flow of the action fluid is deflected in a flow with both axial and also a tangential component, due to the fact that due to the Lorenz force, a tangential component is impressed on the charged particles perpendicular to the direction of flow through the interaction with the magnetic field. This deflection is associated with a conversion of the pressure energy of the action fluid into kinetic energy, analogous to a guide grill of a conventional turbine. In the same way, it is possible to convert a flow of the action fluid with an axial and tangential component into a predominantly axial flow - by converting kinetic energy into mechanical work, analogous to a playpen of a conventional turbine. A suitable magnetic field configuration with a spatial and possibly time-generated magnetic field in the flow channel by the magnet therefore allows, analogously to conventional turbines, a progressive expansion of the action fluid with the production of mechanical work, which can be transferred to the rotor in the form of rotational energy.
Mit der Erfindung wird dabei vorteilhafter Weise die Funktion der Ablenkung des strömenden Aktionsfluids, die bei hohen
Temperaturen mittels konventioneller Schaufeln nur unter erheblichen Kosten oder gar nicht realisiert werden kann, weiterhin gewährleistet aber hier gegenüber der konventionellen Turbinentechnik durch ein magnetisches Feld oder durch magne- tische Felder erreicht. Dabei kombiniert die Erfindung in vorteilhafter Weise das bekannte Funktionsprinzip der konventionellen Strömungsmaschinen mit dem Ablenkungseffekt eines Magnetfelds auf geladene Teilchen. Zugleich können die spezifischen Nachteile des MHD-Kraftwerkskonzepts vermieden wer- den, weil für den Betrieb der Strömungsmaschine nicht zwingend eine thermische Erzeugung eines Plasmas bei extrem hohen Temperaturen erforderlich ist. Im Unterschied zu einem MHD- Generator wird auch nicht auf direkte Stromerzeugung durch Ladungsablenkung auf Elektroden zurückgegriffen, sondern bei der Expansion des Aktionsfluids in der Strömungsmaschine wird mechanische Energie in Form von Rotationsenergie des Rotors erzeugt. Dadurch ist es möglich, bei der Entwicklung neuer Gasturbinen- und Dampfturbinentechnologien mit dem Konzept der Strömungsmaschine deutlich höhere Prozesstemperaturen zu erreichen, was zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Turbinen führt. Die Anwendung einer neuen, vorteilhaften Funktionsweise für den Strömungsmaschinenbau ist dadurch möglich, wobei grundlegende Verbesserungen zu erwarten sind.With the invention, the function of deflecting the flowing action fluid is advantageous, which at high Temperatures can only be achieved by means of conventional blades at considerable costs or not at all, but are still guaranteed here compared to conventional turbine technology achieved by a magnetic field or by magnetic fields. The invention advantageously combines the known functional principle of conventional turbomachines with the deflection effect of a magnetic field on charged particles. At the same time, the specific disadvantages of the MHD power plant concept can be avoided because the operation of the turbomachine does not necessarily require the thermal generation of a plasma at extremely high temperatures. In contrast to an MHD generator, direct power generation through charge deflection on electrodes is not used either, but mechanical energy in the form of rotational energy of the rotor is generated when the action fluid is expanded in the turbomachine. This makes it possible to achieve significantly higher process temperatures in the development of new gas turbine and steam turbine technologies with the concept of the turbomachine, which leads to an increase in the thermal efficiency of the turbines. This makes it possible to use a new, advantageous mode of operation for turbomachinery construction, with fundamental improvements being expected.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsmaschine weist der Stator den Magneten auf. Dabei ist es möglich den Magneten in den Stator zu integrieren, so dass das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld in den Stromungs anal hinein- wirkt. Dabei ist es auch möglich, dass der Stator mehrere Magneten aufweist, so dass das Magnetfeld räumlich im Strömungskanal entsprechend den Erfordernissen sehr genau eingestellt werden kann. Im Falle einer Axialmaschine, bei der der Stator üblicherweise zugleich eine äußere Begrenzung des Stromungskanals bildet und zugleich als Außengehäuse derIn a preferred embodiment of the turbomachine, the stator has the magnet. It is possible to integrate the magnet into the stator, so that the magnetic field generated by the magnet has an anal effect on the flow. It is also possible for the stator to have a plurality of magnets, so that the magnetic field in the flow channel can be set very precisely in accordance with the requirements. In the case of an axial machine, in which the stator usually also forms an outer boundary of the flow channel and at the same time as the outer housing of the
Strömungsmaschine fungieren kann, ist der Magnet vorteilhafter Weise besonders gut zugänglich für eventuelle Wartungs-
oder Revisionsarbeiten oder für das Anbringen von Sensoren (z.B. Magnetfeldsensoren) zur Diagnostik der Strömungsmaschine. Weiterhin kann das Statormaterial bei Wahl eines ferro a- gnetischen Stoffes zugleich zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte und damit des Magnetfelds in dem Stromungskanal verwendet werden.Fluid machine can function, the magnet is advantageously particularly accessible for any maintenance or revision work or for attaching sensors (eg magnetic field sensors) to diagnose the turbomachine. Furthermore, when a ferro-magnetic substance is selected, the stator material can also be used to increase the magnetic flux density and thus the magnetic field in the flow channel.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsmaschine ist das Magnetfeld radial gerichtet und weist entlang der Rotationsachse des Rotors bezogen auf die radiale Richtung mindestens einen VorZeichenwechsel auf.In a particularly preferred embodiment of the turbomachine, the magnetic field is directed radially and has at least one change of sign along the axis of rotation of the rotor in relation to the radial direction.
Ein radiales Magnetfeld kann beispielsweise durch einen am Stator angebrachten Magneten erzeugt werden, wobei das Ma- gnetfeld sich radial einwärts durch den Stromungskanal in den Rotor hinein erstreckt. Durch den Vorzeichenwechsel der radialen Magnetfeldkomponente entlang der Rotationsachse ist zumindest ein Bereich im Strömungskanal gegeben, in dem die Feldlinien des Magnetfelds beispielsweise vom Stator radial einwärts zum Rotor verlaufen und zumindest ein zweiter Bereich im Stromungskanal, in dem Feldlinien aus dem Rotor austreten, sich radial auswärts durch den Stromungs anal erstrecken und in den Stator eintreten. In dem zweiten Bereich liegt somit bezogen auf die radiale Richtung ein umgekehrtes Vorzeichen des Magnetfelds vor, als es im erstgenannten Bereich der Fall ist. Mit dem Vorzeichenwechsel des Magnetfelds ist es möglich geladene Teilchen im Strömungskanal in zueinander entgegengesetzte Richtungen senkrecht zur Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen, d.h. des Aktionsfluids, ab- zulenken. Im Falle einer axialen Strömungsmaschine ist es günstig zumindest einen Vorzeichenwechsel des Magnetfelds vorzusehen, so dass entlang der Rotationsachse des Rotors zumindest zwei unterschiedliche räumliche Bereiche mit einem Magnetfeld unterschiedlichen Vorzeichens vorliegt. Bei Bewe- gung eines geladenen Teilchens entlang der axialen Richtung der Strömungsmaschine erfolgt somit eine Tangentialablenkung in dem ersten Bereich, beispielsweise im Uhrzeigersinn, wäh-
rend in dem zweiten Bereich das geladene Teilchen eine Kraft in entgegengesetzter Richtung erfährt, beispielsweise entge- gen dem Uhrzeigersinn.A radial magnetic field can be generated, for example, by a magnet attached to the stator, the magnetic field extending radially inward through the flow channel into the rotor. The change of sign of the radial magnetic field component along the axis of rotation provides at least one area in the flow channel in which the field lines of the magnetic field run radially inward from the stator to the rotor, for example, and at least one second area in the flow channel in which field lines emerge from the rotor radially outward extend through the flow anal and enter the stator. In the second area there is therefore a sign of the magnetic field which is reversed in relation to the radial direction than is the case in the first area. With the change of sign of the magnetic field it is possible to deflect charged particles in the flow channel in opposite directions perpendicular to the direction of movement of the charged particles, ie the action fluid. In the case of an axial turbomachine, it is favorable to provide at least one change of sign of the magnetic field, so that there are at least two different spatial areas with a magnetic field of different signs along the axis of rotation of the rotor. When a charged particle moves along the axial direction of the turbomachine, tangential deflection takes place in the first area, for example clockwise. In the second area, the charged particle experiences a force in the opposite direction, for example counterclockwise.
Anhand der folgenden vereinfachten Betrachtungsweisen soll das Funktionsprinzip der Strömungsmaschine modellhaft vorgestellt werden: Dabei werden die Feldlinien des Ablenkungsmagnetfelds nur in ihrer Hauptwirkungsrichtung, d. h. radial zwischen Rotor und Stator, berücksichtigt, d.h. es erfolgt eine idealisierte Betrachtung im Wesentlichen paralleler Magnetfeldlinien, die entweder radial einwärts oder radial auswärts gerichtet sind. Durch diese Vereinfachung werden Streueinflüsse und ihre Auswirkungen vernachlässigt, was im Rahmen einer Verdeutlichung des grundlegenden Prinzips zulässig sein sollte. Weiterhin wird die Bewegung der Ionen gegenüber den Betrachtungen der Gasdynamik, welche die thermische Bewegung der Teilchen in alle Raumrichtungen gleich verteilt betrachtet, nur zu dem Anteil berücksichtigt, der sich aus der An- strömung des Aktionsfluids ergibt. Die Anströmung des Akti- onsfluids ist den im Wesentlichen gleich verteilt angenommenen thermischen Bewegungen überlagert. Insofern kommt bei der Betrachtung der Ablenkungseffekte die dieser thermischen Gleichverteilung überlagerte Geschwindigkeit des strömenden Aktionsfluids - im statistischen Mittel - zum Tragen.Based on the following simplified considerations, the functional principle of the turbomachine will be presented as a model: The field lines of the deflection magnetic field are only in their main direction of action, i. H. radial between rotor and stator, i.e. there is an idealized consideration of essentially parallel magnetic field lines which are directed either radially inwards or radially outwards. This simplification neglects the influence of scatter and its effects, which should be permitted within the framework of clarifying the basic principle. Furthermore, the movement of the ions compared to the considerations of gas dynamics, which considers the thermal movement of the particles equally distributed in all spatial directions, is only taken into account to the extent that results from the inflow of the action fluid. The inflow of the action fluid is superimposed on the thermal movements, which are assumed to be essentially equally distributed. In this respect, when considering the deflection effects, the velocity of the flowing action fluid superimposed on this thermal uniform distribution comes into play - on a statistical average.
Beim Eintritt in ein radial zwischen Rotor und Stator durch den Magneten im Strömungskanal definiert erzeugtes Magnetfeld, werden im strömenden Aktionsfluid vorhandene elektrisch geladene Teilchen durch das Magnetfeld abgelenkt. Vorausge- setzt wird hierbei als Hauptströmungsrichtung des Aktionsfluids die axiale Richtung, wie es z.B. bei einer axialen Strömungsmaschine der Fall ist. Dabei wirkt auf die beladenen Teilchen eine von der magnetischen Flussdichte im Strömungskanal, von der Geschwindigkeit und der Ladung der Teilchen abhängige Kraft, die senkrecht zur Bewegungsrichtung gerichtet ist. Diese Ablenkungskraft wird auch als Lorenzkraft bezeichnet. Als geladene Teilchen kommen entweder Elektronen
mit einer vergleichsweise geringen Masse und einer negativen Elementarladung oder einfach oder mehrfach geladene positive Ionen mit deutlich höherer Masse infrage. Wegen der unterschiedlichen Vorzeichen der geladenen Teilchen werden die Elektronen in umgekehrter Richtung als die positiven geladenen Ionen abgelenkt. Aufgrund der deutlichen Massenunterschiede (etwa Faktor 104) werden die Elektronen außerdem auf eine viel kleinere Kreisbahn gezwungen als die Ionen. Stellt man das radiale Magnetfeld so ein, dass die Ionen bei Durch- laufen des Magnetfelds eine Ablenkung erfahren, die in ihrer Wirkung der Ablenkung durch ein konventionelles Schaufelgitter entspricht, so werden die Elektronen folglich auf eine sehr viel kleinere Kreisbahn gezogen, deren Radius im Allgemeinen kleiner ist als die axiale Ausdehnung des radialen Ab- lenkungsfelds . Die Elektronen verlassen das Magnetfeld also nicht, wie die Ionen, mit einer gezielten, wohl definierten Ablenkung, sondern gelangen auf eine Kreisbahn mit deutlich geringerem Radius oder eine schraubenlinienförmige Bahn, je nach ursprünglicher Richtung und Geschwindigkeit beim Ein- tritt in das Magnetfeld. Durch Stöße zwischen Elektronen und anderen Teilchen des Aktionsfluids ergeben sich überdies Änderungen in der Flugbahn und ggf. in der Geschwindigkeit der Elektronen, so dass diese letztlich ebenfalls das Magnetfeld verlassen können. Infolge der gezielten Ablenkung der mit vergleichsweise hoher Masse versehenen Ionen um einen bestimmten Umfangswinkel beim Durchlaufen eines mit einem Magnetfeld, insbesondere mit einem radialen Magnetfeld, durchfluteten Bereichs des Strömungskanals einerseits und den durch Stoßprozesse bewirkten im Wesentlichen diffusen Aus- tritt der deutlich leichteren Elektronen andererseits wird ein Drehimpuls auf das die geladenen Teilchen aufweisende Aktionsfluid übertragen. Je nach räumlicher Anordnung, Stärke und Vorzeichen des vom Magneten erzeugten Magnetfelds im Strömungskanal können somit unterschiedliche Ablenkungseffek- te, d.h. ein unterschiedlicher Drehimpulsübertrag auf das Aktionsfluid betragsmäßig und richtungsmäßig eingestellt werden.
Vorzugsweise ist ein sich axial erstreckender magnetischer Leitschaufelbereich mit konstantem Vorzeichen des Magnetfeldes und ein sich axial erstreckender Laufschaufelbereich mit gegenüber dem Leitschaufelbereich umgekehrten Vorzeichen des Magnetfelds vorgesehen.When entering a magnetic field defined radially between the rotor and stator by the magnet in the flow channel, electrically charged particles present in the flowing action fluid are deflected by the magnetic field. The main direction of flow of the action fluid is assumed to be the axial direction, as is the case, for example, with an axial turbomachine. A force that is dependent on the magnetic flux density in the flow channel, the speed and the charge of the particles acts on the loaded particles and is directed perpendicular to the direction of movement. This distraction force is also known as the Lorenz force. Either electrons come as charged particles with a comparatively low mass and a negative elementary charge or single or multiply charged positive ions with a significantly higher mass. Because of the different signs of the charged particles, the electrons are deflected in the opposite direction to the positive charged ions. Due to the significant mass differences (about a factor of 10 4 ), the electrons are also forced into a much smaller circular path than the ions. If the radial magnetic field is set so that the ions experience a deflection when they pass through the magnetic field, which corresponds in effect to the deflection by a conventional vane grid, the electrons are consequently drawn onto a much smaller circular path, the radius of which is generally is smaller than the axial extent of the radial deflection field. The electrons do not leave the magnetic field like the ions with a well-defined, well-defined deflection, but instead reach a circular path with a significantly smaller radius or a helical path, depending on the original direction and speed when entering the magnetic field. Collisions between electrons and other particles of the action fluid also result in changes in the trajectory and possibly in the speed of the electrons, so that they can ultimately also leave the magnetic field. As a result of the targeted deflection of the ions provided with a comparatively high mass by a certain circumferential angle when passing through an area of the flow channel flooded with a magnetic field, in particular with a radial magnetic field, and the essentially diffuse exit of the significantly lighter electrons caused by collision processes transmit an angular momentum to the action fluid containing the charged particles. Depending on the spatial arrangement, strength and sign of the magnetic field generated by the magnet in the flow channel, different deflection effects, ie a different angular momentum transfer to the action fluid, can thus be set in terms of amount and direction. An axially extending magnetic guide vane region with a constant sign of the magnetic field and an axially extending rotor blade region with a sign of the magnetic field that is opposite to the guide vane region are preferably provided.
In dem magnetischen Leitschaufelbereich kommt es durch Ablenkung des in axialer Richtung strömenden Aktionsfluids analog zu konventionellen Turbinenleitgittern zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Dabei wird der axialen Hauptströmungsrichtung ein tangentialer Anteil überlagert, wobei eine Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie erfolgt. Der magnetische Leitschaufelbereich weist dabei ein definiertes Vorzeichen des Magnetfeldes auf, d.h. radial einwärts oder radial auswärts in dem gesamten Leitschaufelbereich. Der magnetische Leitschaufelbereich ist dabei räumlich ein Teilbereich des Strömungskanals. Die Stärke des Magnetfelds kann aber innerhalb des magnetischen Leitschaufelbereichs durchaus variieren, ist aber vorzugsweise nahezu konstant. Der magne- tische Leitschaufelbereich definiert also sozusagen eine als Leitgitter fungierende Ablenkungsebene bzw. ein sich in der axialen Richtung erstreckende Ablenkungsscheibe, die abstrakt betrachtet eine einem herkömmlichen Turbinenleitgitter äquivalente Wirkung auf das Aktionsfluid ausübt.In the magnetic guide vane area, the flow velocity is increased by deflecting the action fluid flowing in the axial direction analogously to conventional turbine guide vents. A tangential component is superimposed on the main axial flow direction, whereby pressure energy is converted into kinetic energy. The magnetic guide vane region has a defined sign of the magnetic field, i.e. radially inward or radially outward in the entire guide vane area. The magnetic guide vane area is spatially a partial area of the flow channel. The strength of the magnetic field can, however, vary within the magnetic guide vane area, but is preferably almost constant. The magnetic guide vane region thus defines, so to speak, a deflection plane which acts as a guide grille or a deflection disc which extends in the axial direction and which, viewed abstractly, has an effect on the action fluid which is equivalent to a conventional turbine guide grille.
In analoger Weise erfolgt in dem magnetischen Laufschaufelbereich eine Ablenkung der weitgehend axial gerichteten Strömung des Aktionsfluids derart, dass der dem Medium entzogene Drehimpuls auf den Rotor der Strömungsmaschine übertragen wird. In dem magnetischen Leitschaufelbereich und in dem magnetischen Laufschaufelbereich ist das Magnetfeld dabei im Wesentlichen radial gerichtet. Der magnetische Leitschaufelbereich und magnetische Laufschaufelbereich bilden dabei beispielsweise räumlich verschiedene Teilbereiche des Strömungs- kanals. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Ablenkung des Aktionsfluids in der Strömungsmaschine in Form von beispielsweise in axialer Richtung räumlich begrenzter Ablenkungsebe-
nen oder Ablenkungsscheiben durch ein radial gerichtetes Ablenkungsmagnetfeld, welches sich zwischen Stator und Rotor durch den Strömungskanal erstreckt. Durch die in Strömungsrichtung des Aktionsfluids räumlich begrenzte Ausdehnung (Ab- lenkscheibe bzw. Ablenkebene) ist die Wirkung des magnetischen Leitschaufelbereich und des magnetischen Laufschaufel- bereichs der Wirkung von Schaufelgittern in konventionellen Strömungsmaschinen, z.B. Gasturbinen, Dampfturbinen, Verdichtern, sehr ähnlich. Es erfolgt dabei eine Ablenkung der über- wiegend axialen Strömung in eine Strömung mit axialer und tangentialer Komponente, wobei Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Der magnetische Leitschaufelbereich ist insofern analog einem Leitgitter einer konventionellen Turbine hinsichtlich der grundlegenden Wirkungsweise zu be- trachten. Im magnetischen Laufschaufelbereich erfolgt eine Ablenkung einer Strömung mit axialer und tangentialer Komponente in eine überwiegend axiale Strömung, wobei kinetische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dieser Effekt ist seinem Wesen nach analog der Wirkung eines Laufgitters einer konventionellen Turbine. Vorteilhafter Weise kann durch eine geeignete Anordnung von aufeinander folgenden magnetischen Leitschaufelbereichen und Laufschaufelbereichen eine analog zu konventionellen Turbinen fortschreitende Expansion des Arbeitsfluids unter Gewinnung mechanischer Energie in Form von Rotationsenergie des Rotors erzielt werden.In an analogous manner, the largely axially directed flow of the action fluid is deflected in the magnetic rotor blade region in such a way that the angular momentum extracted from the medium is transmitted to the rotor of the turbomachine. In the magnetic guide vane region and in the magnetic rotor blade region, the magnetic field is directed essentially radially. The magnetic guide vane area and magnetic rotor vane area form spatially different sub-areas of the flow channel, for example. In this embodiment, the action fluid is deflected in the turbomachine in the form of, for example, spatially limited deflection in the axial direction. NEN or deflection discs by a radially directed deflection magnetic field, which extends through the flow channel between the stator and rotor. Due to the spatially limited expansion in the flow direction of the action fluid (deflection disk or deflection plane), the effect of the magnetic guide vane region and the magnetic rotor vane region is very similar to the effect of vane grids in conventional turbomachines, for example gas turbines, steam turbines and compressors. The predominantly axial flow is deflected into a flow with an axial and tangential component, pressure energy being converted into kinetic energy. In this respect, the magnetic guide vane area is to be considered analogously to a guide grid of a conventional turbine with regard to the basic mode of operation. In the magnetic blade area, a flow with an axial and tangential component is deflected into a predominantly axial flow, with kinetic energy being converted into mechanical work. In essence, this effect is analogous to the effect of a playpen on a conventional turbine. Advantageously, a suitable arrangement of successive magnetic guide vane areas and moving vane areas allows a progressive expansion of the working fluid analogous to conventional turbines with mechanical energy in the form of rotational energy of the rotor.
Bevorzugt ist daher der magnetische Laufschaufelbereich dem magnetischen Leitschaufelbereich in Strömungsrichtung des Aktionsfluids axial nachgeordnet. Hierdurch wird eine Stufe analog einer konventionellen Turbomaschine mit einem Leitrad und einem Laufrad realisiert. Die magnetische Stufe der Strömungsmaschine weist dabei einen magnetischen Leitschaufelbereich und einen axial sich daran anschließenden magnetischen Laufschaufelbereich auf. Der magnetische Laufschaufelbereich muss sich dabei nicht unmittelbar an den magnetischen Leitschaufelbereich in Strömungsrichtung anschließen. Zwischen dem magnetischen Leitschaufelbereich und dem axial nachgeord-
neten magnetischen Laufschaufelbereich kann der Strömungskanal feldfrei oder im Wesentlichen ohne ein nennenswertes Magnetfeld sein. In einem derartigen Zwischenbereich erfolgt dann praktisch keine weitere Ablenkung der geladenen Teilchen und mithin kein weiterer Drehimpulsübertrag auf das die geladenen Teilchen aufweisende strömende Aktionsfluid.The magnetic rotor blade region is therefore preferably arranged axially downstream of the magnetic guide blade region in the flow direction of the action fluid. In this way, a stage analogous to a conventional turbomachine with a stator and an impeller is realized. The magnetic stage of the turbomachine has a magnetic guide vane region and an axially adjoining magnetic rotor vane region. The magnetic blade area does not have to directly adjoin the magnetic guide area in the direction of flow. Between the magnetic guide vane area and the axially downstream In the magnetic blade area, the flow channel can be field-free or essentially without a significant magnetic field. In such an intermediate area there is practically no further deflection of the charged particles and therefore no further angular momentum transfer to the flowing action fluid containing the charged particles.
Bevorzugt ist eine Anzahl von magnetischen Leitschaufelbereichen und Laufschaufelbereichen abwechselnd entlang der Rota- tionsachse angeordnet. Somit können in der Strömungsmaschine mehrere magnetische Stufen, d.h. eine Mehrzahl von axial, d.h. entlang der Rotationsachse abwechselnd hintereinander angeordneter magnetischer Leitschaufelbereiche und magnetischer Laufschaufelbereiche realisiert sein. Auf dies kann wiederum in einer gewissen Analogie zu den bekannten Strömungsmaschinen mit mehreren axial hintereinander angeordneten Stufen gesehen werden. Je nach Anforderung können somit Strömungsmaschinen mit verschiedener Stufenzahl und Stufengröße umfassend jeweils einen magnetischen Leitschaufelbereich und einen sich daran anschließenden magnetischen Laufschaufelbereich, konzipiert werden.A number of magnetic guide vane regions and rotor blade regions are preferably arranged alternately along the axis of rotation. Thus, several magnetic stages, i.e. a plurality of axially, i.e. magnetic guide vane regions and magnetic rotor vane regions arranged alternately one behind the other along the axis of rotation. This can again be seen in a certain analogy to the known turbomachines with several stages arranged axially one behind the other. Depending on the requirements, turbomachines with different number of stages and stage sizes can each be designed comprising a magnetic guide vane area and a magnetic vane area adjoining it.
Vorzugsweise umfasst zur Begrenzung des Magnetfelds im magnetischen Leitschaufelbereich der magnetische Leitschaufelbe- reich einen sich radial einwärts erstreckenden Vorsprung des Stators. Durch den radial einwärts sich erstreckenden Vorsprung ist eine lokale Erhöhung der magnetischen Flußdichte erreicht, d.h. die Magnetfeldlinien werden im Raum zwischen dem Vorsprung und dem dem Vorsprung in radialer Richtung ein- wärts gegenüberliegenden Rotor konzentriert. Durch diese Konfiguration ist lokal näherungsweise eine magnetische Dipolstruktur realisiert, wobei abhängig von der gewählten Polarität z.B. aus dem Vorsprung austretende Magnetfeldlinien einen magnetischen Nordpol bilden, während die gegenüberliegende Rotorfläche in die die Magnetfeldlinien eintreten einen Südpol bildet. Der räumliche Einschluß (confinement) des Feldes ermöglicht eine gezielte Ablenkung von geladenen Teilchen im
Aktionsfluid, so dass in Analogie zu einer herkömmlichen Strömungsmaschine eine Leitschaufel realisiert ist, deren Wirkprinzip allerdings auf magnetischer Ablenkung von geladenen Teilchen beruht.To limit the magnetic field in the magnetic guide vane region, the magnetic guide vane region preferably comprises a projection of the stator that extends radially inward. A local increase in the magnetic flux density is achieved by the radially inwardly extending projection, ie the magnetic field lines are concentrated in the space between the projection and the rotor lying inward in the radial direction. With this configuration, a magnetic dipole structure is locally achieved approximately, whereby depending on the polarity selected, for example, magnetic field lines emerging from the projection form a magnetic north pole, while the opposite rotor surface into which the magnetic field lines form a south pole. The spatial confinement of the field enables a targeted deflection of charged particles in the Action fluid, so that in analogy to a conventional turbomachine, a guide vane is realized, the principle of which is based, however, on magnetic deflection of charged particles.
Allerdings sind gegenüber herkömmlicher Beschaufelung bei der magnetischen Leitschaufel der Erfindung vorteilhafterweise keine komplexen Geometrien für den Vorsprung erforderlich. Der Vorsprung kann hinsichtlich seiner Geometrie und seiner magnetischen Eigenschaften des Materials so ausgestaltet sein, so dass bestmögliche Ergebnisse - ähnlich wie bei einem Polschuh - erzielt werden. Der Vorsprung kann hierbei konstruktiv einfach an die Radialsymmetrie, insbesondere an die zylindermantelförmige Oberflächenkontur des Rotors, angepasst sein und besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, um entsprechend hohe magnetische Flußdichten des radialen Ablenkungsmagnetfeldes zu erzielen.However, compared to conventional blading in the magnetic guide vane of the invention, advantageously no complex geometries are required for the projection. With regard to its geometry and its magnetic properties of the material, the projection can be designed in such a way that the best possible results are achieved, similar to a pole piece. The projection can be structurally easily adapted to the radial symmetry, in particular to the cylindrical surface contour of the rotor, and consists of a material with high magnetic permeability in order to achieve correspondingly high magnetic flux densities of the radial deflection magnetic field.
In bevorzugter Ausgestaltung weist zur axialen Begrenzung des Magnetfelds im magnetischen Leitschaufelbereich der Stator einen sich radial einwärts erstreckenden Umfangsring auf, an dem der Vorsprung angeordnet ist. Der Umfangsring erstreckt sich vollumfänglich um die Rotationsachse des Rotors. Die axiale Ausdehnung des Umfangsrings bestimmt hierbei im We- sentlichen auch die axiale Erstreckung des Magnetfeldes.In a preferred embodiment, for the axial limitation of the magnetic field in the magnetic guide vane region, the stator has a radially inwardly extending circumferential ring, on which the projection is arranged. The circumferential ring extends completely around the axis of rotation of the rotor. The axial extent of the circumferential ring also essentially determines the axial extent of the magnetic field.
Durch den axialen und den radialen Einschluß ist im magnetischen Leitschaufelbereich eine magnetische Ablenkebene - auf Grund deren axialen Abmessung genauer gesagt eine magnetische Ablenkscheibe - realisiert, in Analogie zu einer Leitschau- feireihe oder -gitter bei einer konventionellen Strömungsmaschine.Due to the axial and radial inclusion, a magnetic deflection plane - due to its axial dimension, more precisely, a magnetic deflection disk - is realized in the magnetic guide vane area, in analogy to a guide vane series or grid in a conventional turbomachine.
Hierzu sind in bevorzugter Ausgestaltung mehrere sich radial einwärts erstreckende Vorsprünge über den vollen Umfang des Stators angeordnet. Durch die Vielzahl von Vorsprüngen wird über den vollen Umfang eine gleichwirkende und daher verstärkte Ablenkung des Strömungsmediums erreicht, wobei ent-
sprechend der Anzahl und Anordnung der Vorsprünge räumliche Bereiche mit hoher Magnetfeldstärke gebildet sind. Aus Symmetriegründen sind die Vorsprünge vorteilhafterweise regelmäßig über den vollen Umfang des Stators, z.B. entlang eines ge- dachten regelmäßigen Vielecks, verteilt. Dabei ist eine Ausgestaltung mit einem wie vorher beschreibenen Umfangsring, an dem mehrere Vorsprünge angeordnet sind, für einen radialen und axialen Feldeinschluß besonders günstig.For this purpose, in a preferred embodiment, a plurality of projections extending radially inward are arranged over the full circumference of the stator. Due to the large number of projections, an equally effective and therefore increased deflection of the flow medium is achieved over the entire circumference, According to the number and arrangement of the projections, spatial areas with a high magnetic field strength are formed. For reasons of symmetry, the projections are advantageously regularly distributed over the full circumference of the stator, for example along an imaginary regular polygon. An embodiment with a circumferential ring as described above, on which a plurality of projections are arranged, is particularly favorable for radial and axial field confinement.
Bezüglich des magnetischen Laufschaufelbereichs umfasst dieser in besonders bevorzugter Ausgestaltung zur räumlichen Begrenzung des Magnetfelds einen sich radial auswärts erstrek- kenden Vorsprung des Rotors. Die Vorteile dieser Konfiguration ergeben sich in Analogie zum magnetischen Leitschafelbe- reich:With regard to the magnetic rotor blade region, in a particularly preferred embodiment, for the spatial limitation of the magnetic field, it comprises a radially outwardly extending projection of the rotor. The advantages of this configuration result in analogy to the magnetic guard panel area:
Durch den radial auswärts sich erstreckenden Vorsprung ist eine lokale Erhöhung der magnetischen Flußdichte erreicht, d.h. die Magnetfeldlinien werden im Raum zwischen dem Vor- sprung und dem dem Vorsprung in radialer Richtung auswärts gegenüberliegenden Stator konzentriert. Durch diese Konfiguration ist lokal näherungsweise eine magnetische Dipolstruktur realisiert, wobei abhängig von der gewählten Polarität z.B. aus dem Vorsprung austretende Magnetfeldlinien einen ma- gnetischen Nordpol bilden, während die gegenüberliegende Statorfläche, in die die Magnetfeldlinien eintreten, einen Südpol bildet. Der räumliche Einschluß (confinement) des Feldes ermöglicht eine gezielte Ablenkung von geladenen Teilchen im Aktionsfluid, so dass in Analogie zu einer herkömmlichen Strömungsmaschine hiermit eine auf magnetischer Ablenkung von geladenen Teilchen beruhende Laufschaufei realisiert ist.A local increase in magnetic flux density is achieved by the radially outwardly extending projection, i.e. the magnetic field lines are concentrated in the space between the projection and the stator opposite the projection in the radial direction outwards. With this configuration, a magnetic dipole structure is locally implemented, depending on the polarity selected, e.g. Magnetic field lines emerging from the projection form a magnetic north pole, while the opposite stator surface into which the magnetic field lines enter forms a south pole. The spatial confinement of the field enables a targeted deflection of charged particles in the action fluid, so that, in analogy to a conventional turbomachine, a rotor blade based on magnetic deflection of charged particles is hereby realized.
Bevorzugt sind hierbei mehrere sich radial auswärts erstrek- kende Vorsprünge über den vollen Umfang des Rotors angeord- net. Durch die Vielzahl von Vorsprüngen wird über den vollen Umfang eine gleichwirkende und daher verstärkte Ablenkung des Strömungsmediums erreicht, wobei entsprechend der Anzahl und
Anordnung der Vorsprünge räumliche Bereiche mit hoher Magnetfeldstärke gebildet sind. Aus Symmetriegründen sind die Vorsprünge vorteilhafterweise regelmäßig über den vollen Umfang des Rotors, z.B. entlang eines gedachten regelmäßigen Vielecks, verteilt. Dabei ist eine Ausgestaltung mit einem wie vorher bereits im Zusammenhang mit dem magnetischen Leitschaufelbereich beschreibenen Umfangsring, an dem mehrere Vorsprünge angeordnet sind, für einen radialen und axialen Feldeinschluß besonders günstig.In this case, a plurality of projections extending radially outward are preferably arranged over the full circumference of the rotor. Due to the large number of projections, an equally effective and therefore increased deflection of the flow medium is achieved over the entire circumference, the number and Arrangement of the projections spatial areas with high magnetic field strength are formed. For reasons of symmetry, the projections are advantageously distributed regularly over the full circumference of the rotor, for example along an imaginary regular polygon. In this case, an embodiment with a circumferential ring, as already described in connection with the magnetic guide vane region, on which a plurality of projections are arranged, is particularly favorable for radial and axial field confinement.
Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine eine Ionisierungseinrichtung zur Erzeugung von geladenen Teilchen im Aktionsfluid auf. Die Ionisation von Neutralteilchen im Aktionsfluid kann hierbei auf unterschiedliche Weise mittels der Ionsie- rungseinrichtung erfolgen, beispielsweise durch Stoßionisation oder durch Strahlungsionisation. Je nach Wirkungsquerschnitt für die Ionisation bestimmter Neutralteilchen ist eine geeigneter Ionisationsprozeß zu wählen, auf dessen Prinzip die Ionisierungseinrichtung arbeiten soll. Hohe Temperaturen wie bei einer thermischen Plasmaerzeugung sind dabei vorteilhafterweise nicht erforderlich. Auch ist Mehrfachionisation möglich. Mittels der Ionisierungseinrichtung ist damit ein ionenhaltiges Aktionsfluid erzeugbar bzw. bereitstellbar, welches die magnetohydrodynamische Strömungsmaschine der Er- findung beim Durchströmen des Strömungskanals antreibt.The turbomachine preferably has an ionization device for generating charged particles in the action fluid. The ionization of neutral particles in the action fluid can take place in different ways by means of the ionization device, for example by impact ionization or by radiation ionization. Depending on the cross section for the ionization of certain neutral particles, a suitable ionization process is to be selected, on the principle of which the ionization device should work. High temperatures such as in the case of thermal plasma generation are advantageously not required. Multiple ionization is also possible. By means of the ionization device, an ion-containing action fluid can thus be generated or provided, which drives the magnetohydrodynamic flow machine of the invention when it flows through the flow channel.
Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine eine Rekombinationseinrichtung zur Rekombination von geladenen Teilchen im Aktionsfluid.The turbomachine preferably has a recombination device for recombining charged particles in the action fluid.
Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator und einem Stromungskanal, bei dem der Stromungskanal von einem ionenhaltigen Aktions- fluid durchströmt und im Strömungskanal ein definiertes Magnetfeld erzeugt wird, wobei Ionen in dem Magnetfeld abgelenkt werden.
Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich in analoger Weise aus den Vorteilen der oben beschriebenen Strömungsmaschine.The object directed to a method is achieved according to the invention by a method for operating a turbomachine with a rotor and a stator and a flow channel, in which an ionic action fluid flows through the flow channel and a defined magnetic field is generated in the flow channel, ions in the Magnetic field can be deflected. The advantages of the method result in an analogous manner from the advantages of the turbomachine described above.
Dabei wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Rotor infolge der Ablenkung von Ionen aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt.In a preferred embodiment of the method, the rotor is set in rotation due to the deflection of ions due to the interaction with the magnetic field.
Weiter bevorzugt wird im Stromungskanal ein auf die Ionen einwirkendes radiales Magnetfeld derart erzeugt, dass beimFurther preferably, a radial magnetic field acting on the ions is generated in the flow channel in such a way that when
Durchströmen des Stromungskanals die tangentiale Geschwindigkeitskomponente des ionenhaltigen Aktionsfluids gezielt be- einflusst wird. Die Wirkung der Lorenzkraft auf die geladenen Teilchen, d.h. der gegenüber den Elektronen deutlich schwere- ren Ionen, wird hierbei gezielt ausgenutzt, um im Ergebnis dem Aktionsfluid einen Netto-Drehimpuls (Drall) aufzuprägen. Der Drehimpulstransfer kann zu einer Drallerhöhung oder zu einer Drallverringerung des strömenden sich entspannenden Aktionsfluids führen.Flowing through the flow channel, the tangential speed component of the ion-containing action fluid is specifically influenced. The effect of the Lorenz force on the charged particles, i.e. the ions, which are significantly heavier than the electrons, are used specifically to impart a net angular momentum (swirl) to the action fluid. The angular momentum transfer can lead to an increase in swirl or to a decrease in swirl of the flowing, relaxing action fluid.
Vorzugsweise wird im Strömungskanal ein radiales Magnetfeld erzeugt, welches entlang der Strömungsrichtung des ionenhaltigen Aktionsfluids alterniert. Dabei bedeutet alternierendes Magnetfeld, dass entlang der Strömungsrichtung die radiale Komponente des Magnetfelds mindestens einen Vorzeichenwechsel aufweist, d.h eine Umpolung der Radialkomponente stattfindet.A radial magnetic field is preferably generated in the flow channel, which alternates along the flow direction of the ion-containing action fluid. Alternating magnetic field means that the radial component of the magnetic field has at least one change of sign along the direction of flow, i.e. a polarity reversal of the radial component takes place.
Das Magnetfeld wird dabei in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens zeitlich und/oder räumlich geregelt. Dies kann z.B. durch entsprechende Anordnung und elektrische Ansteue- rung des Magneten oder der Magnete zur Erzeugung eines vorgebbaren Feldverteilung im Stromungs anal erfolgen.In a preferred embodiment of the method, the magnetic field is regulated in terms of time and / or space. This can e.g. by means of an appropriate arrangement and electrical control of the magnet or the magnets to generate a predefinable field distribution in the flow analog.
Bevorzugt wird das ionenhaltige Aktionsfluid durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfuid vor Durchströmen des Strömungskanals gebildet. Dies kann z.B. durch eine der Eintrittsöffnung
des Strömungskanals vorgeschaltete Ionisierungseinrichtung erreicht werden.The ion-containing action fluid is preferably formed by ionizing particles in the action fluid before flowing through the flow channel. This can be done for example through one of the entry openings Ionization device upstream of the flow channel can be reached.
Weiter bevorzugt werden Ionen durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid während dem Durchströmen des Strömungskanals gebildet. Die in situ-Erzeugung hat dabei den Vorteil, dass die Ionen gezielt in den Bereichen erzeugt werden können, wo sie für die Vermittlung einer magnetischen Ablenkung auch benötigt werden, d.h. in dem magnetischen Leitschaufelbereich oder dem magnetischen Laufschaufelbereich.Ions are more preferably formed by ionization of particles in the action fluid while flowing through the flow channel. The in situ generation has the advantage that the ions can be generated specifically in the areas where they are also required for imparting a magnetic deflection, i.e. in the magnetic vane area or the magnetic blade area.
Zur Erzeugung der Ionen werden diese vorzugsweise durch Stoßionisation gebildet. Alternativ oder zusätzlich werden Ionen durch Strahlungsionisation gebildet, wobei Aktionsfluid mit einer für Teilchen im Aktionsfluid ionisierend wirkenden Strahlung bestrahlt wird. Diese Strahlung kann beispielsweise UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung sein.To generate the ions, these are preferably formed by impact ionization. Alternatively or additionally, ions are formed by radiation ionization, action fluid being irradiated with radiation which has an ionizing effect on particles in the action fluid. This radiation can be UV radiation or X-ray radiation, for example.
Vorzugsweise wird in einem Rekombinationsprozeß und/oder ei- nem katalytischen Prozeß das Aktionsfluid von schädigenden Substanzen gereinigt. Die Reinigung wird bevorzugt während und/oder nach Durchströmen des Strömungskanals durchgeführt.The action fluid is preferably cleaned of harmful substances in a recombination process and / or a catalytic process. The cleaning is preferably carried out during and / or after flowing through the flow channel.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäblicher DarstellungThe invention is explained in more detail below with reference to a drawing. It shows in a simplified and not to scale representation
FIG 1 ein Ausschnitt einer auf einem magnetohydrodynamischen Prinzip basierenden Strömungsmaschine,1 shows a section of a turbomachine based on a magnetohydrodynamic principle,
FIG 2 eine Bahnkurve eines geladenen Teilchens in einem räumlich begrenzten Magnetfeld,2 shows a trajectory of a charged particle in a spatially limited magnetic field,
FIG 3 Schnittansicht in axialer Richtung durch einen raa- gnetischen Leitschaufelbereich entlang der Schnittlinie III-III der in FIG 1 dargestellten Strömungsmaschine,
IG 4 Schnittansicht in axialer Richtung durch einen magnetischen Laufschaufelbereich entlang der Schnittlinie IV-IV der in FIG 1 dargestellten Strömungsmaschine,3 shows a sectional view in the axial direction through a magnetic guide vane region along the section line III-III of the turbomachine shown in FIG. 1, IG 4 sectional view in the axial direction through a magnetic blade area along the section line IV-IV of the turbomachine shown in FIG. 1,
IG 5 in einem Diagramm den druck- und Geschwindigkeitsverlauf für eine konventionelle Turbine,IG 5 in a diagram the pressure and speed curve for a conventional turbine,
IG 6 zum Vergleich mit FIG 5 in einem Diagramm den druck- und Geschwindigkeitsverlauf für eine Turbine mit magnetohydrodynamischer BeschaufelungIG 6 for comparison with FIG 5 in a diagram the pressure and speed curve for a turbine with magnetohydrodynamic blading
FIG 7 in einem Blockdiagramm die Anordung der Prozessfunktionen am Beispiel einer Dampfturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer Beschaufelung, und7 shows in a block diagram the arrangement of the process functions using the example of a steam turbine using magnetohydrodynamic blading, and
FIG 8 in einem Blockdiagramm die Anordnung der Prozessfunktionen am Beispiel einer Gasturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer Beschaufelung8 shows in a block diagram the arrangement of the process functions using the example of a gas turbine using magnetohydrodynamic blading
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.The same reference numerals have the same meaning in the figures.
Figur 1 zeigt in einem Ausschnitt eine Strömungsmaschine 1, welche nach einem magnetohydrodynamischen Prinzip arbeitet.Figure 1 shows a detail of a turbomachine 1, which works on a magnetohydrodynamic principle.
Die Strömungsmaschine 1 weist hierzu einen sich entlang einer Rotationsachse 11 erstreckenden Rotor 3 auf. Ein Stator 5 umgibt den Rotor 3 über den vollen Umfang konzentrisch beabstandet , so dass ein ringförmiger axialer Stromungskanal 7 gebildet ist, dem ein ionenhaltiges Aktionsfluid A, z.B. ein ionenhaltiger Dampf oder ein Gas zuführbar ist. Durch das Aktionsfluid A ist der Rotor 3 bei Durchströmen des Strömungskanals 7 antreibbar, wobei magnetische Ablenkeffekte auf geladene Teilchen 25, insbesondere auf Ionen 27, im Aktions- fluid A gezielt ausgenutzt werden.
Hierzu weist die Strömungsmaschine 1 einen Magneten 9 zum Erzeugen eines vorgebbaren Magnetfelds B im Strömungskanal 7 auf. Der Magnet 9 ist in den Stator 5 ortsfest integriert und kann z.B. wie gezeigt als eine Magnetspule ausgestaltet sein, wobei das gewünschte Magnetfeld B im Strömungskanal 7 in seiner Feldstärke durch Einstellung bzw. Regelung einer elektrischen Stromstärke durch die Spule erreicht wird. Vorteihaf- terweise werden durch diese Konstruktion nur ruhende Wicklungen verwendet. Um die magnetische Flußdichte zu erhöhen be- steht der Stator 5 dabei zumindest teilweise aus einem ferro- magnetischem Material. Desgleichen ist der Rotor 3 aus ferro- magnetischem Material ausgeführt. -Hierdurch ist ein guter Ma- gnetfeld-Ringschluss erreicht und es werden besonders hohe Flußdichten im Stromungskanal 7 gerade dort erzielt, wo die Wechselwirkung des Magnetfelds B mit den Ionen 27 vorgesehen ist. Das Magnetfeld B ist im Stromungskanal 7 im Wesentlichen radial gerichtet, d.h. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung parallel zur Rotationsachse 11 des mit Ionen 27 beladenen Aktionsfluids A. Entlang der Rotationsachse 11 des Rotors 3 weist das Magnetfeld B bezogen auf die radiale Richtung zumindest einen Vorzeichenwechsel auf, d.h. es liegt zumindest eine Umpolung vor. Die Magnetfeldverteilung wird so eingestellt, dass - räumlich betrachtet - ein sich axial erstrek- kender magnetischer Leitschaufelbereich 15 mit konstantem Vorzeichen des Magnetfelds im Stromungskanal 7 gebildet ist. Weiterhin ist ein sich axial erstreckender magnetischer Laufschaufelbereich 17 mit gegenüber dem Leitschaufelbereich 15 umgekehrtem Vorzeichen des Magnetfelds B vorgesehen. Zwischen dem magnetischen Leitschaufelbereich 15 und dem magnetischen Laufschaufelbereich 17 ist ein nahezu feldfreier Zwischenraum 35 gebildet, in dem keine magnetische Ablenkung der geladenen Teilchen 25 zu verzeichnen ist. Ein magnetischer Laufschaufelbereich 17 ist dabei unter Bildung des axialen Zwischenraums 35 einem magnetischen Leitschaufelbereich 15 axial nachgeordnet. Die dadurch gebildete Magnetfeldkonfiguration kann, analog zu einer herkömmlichen Turbinenstufe, als magnetohydrodynamische Stufe oder MHD-Stufe bezeichnet werden. Ei-
ne Anzahl solcher MHD-Stufen sind entlang der Rotationsachse 11 nacheinander angeordnet, so daß in der Strömungsmaschine 1 eine entsprechende Anzahl von magnetischen Leitschaufelbereichen 15 und Laufschaufelbereichen 17 abwechselnd entlang der Rotationsachse 11 unter Bildung eines jeweiligen feldfreien Zwischenraums 35 angeordnet sind. Der Zwischenraum 35 wird radial einwärts, d.h. rotorseitig, und radial auswärts, d.h. statorseitig, durch ein jeweiliges Strömungsführungsblech 33 begrenzt. Aufgrund der gewünschten Feldfreiheit des Zwischen- raums 35 ist das Strömungsführungsblech 33 in vorteilhafter Ausgestaltung nicht aus einem ferromagnetischen Material.For this purpose, the turbomachine 1 has a rotor 3 extending along an axis of rotation 11. A stator 5 surrounds the rotor 3 concentrically spaced over the entire circumference, so that an annular axial flow channel 7 is formed, to which an ion-containing action fluid A, for example an ion-containing steam or a gas, can be supplied. The rotor 3 can be driven by the action fluid A when it flows through the flow channel 7, magnetic deflection effects on charged particles 25, in particular on ions 27, in the action fluid A being used in a targeted manner. For this purpose, the turbomachine 1 has a magnet 9 for generating a predeterminable magnetic field B in the flow channel 7. The magnet 9 is integrated in the stator 5 in a stationary manner and can, for example, be configured as a magnetic coil as shown, the field strength of the desired magnetic field B in the flow channel 7 being achieved by adjusting or regulating an electrical current strength through the coil. Advantageously, this construction only uses static windings. In order to increase the magnetic flux density, the stator 5 is at least partially made of a ferromagnetic material. Likewise, the rotor 3 is made of a ferromagnetic material. This results in a good magnetic field ring closure and particularly high flux densities are achieved in the flow channel 7 precisely where the interaction of the magnetic field B with the ions 27 is provided. The magnetic field B is directed essentially radially in the flow channel 7, ie perpendicular to the main flow direction parallel to the axis of rotation 11 of the action fluid A loaded with ions 27. Along the axis of rotation 11 of the rotor 3, the magnetic field B has at least one sign change with respect to the radial direction, ie there is at least one polarity reversal. The magnetic field distribution is set such that, viewed spatially, an axially extending magnetic guide vane region 15 with a constant sign of the magnetic field is formed in the flow channel 7. Furthermore, an axially extending magnetic blade region 17 is provided with a sign of the magnetic field B that is opposite to that of the guide blade region 15. An almost field-free space 35 is formed between the magnetic guide vane region 15 and the magnetic blade region 17, in which there is no magnetic deflection of the charged particles 25. A magnetic rotor blade region 17 is axially downstream of a magnetic guide blade region 15, forming the axial intermediate space 35. The magnetic field configuration formed in this way can be referred to, analogously to a conventional turbine stage, as a magnetohydrodynamic stage or MHD stage. Egg- ne number of such MHD stages are arranged one after the other along the axis of rotation 11, so that a corresponding number of magnetic guide vane regions 15 and rotor blade regions 17 are arranged alternately along the axis of rotation 11 in the turbomachine 1 to form a respective field-free intermediate space 35. The intermediate space 35 is delimited radially inwards, ie on the rotor side, and radially outwards, ie on the stator side, by a respective flow guide plate 33. Due to the desired field freedom of the intermediate space 35, the flow guide plate 33 is not made of a ferromagnetic material in an advantageous embodiment.
FIG 2 zeigt zur Erläuterung eine Bahnkurve 37 (Trajektorie) eines positiv geladenen Ions 27 in einem räumlich begrenzten Magnetfeld B, wie es idealisiert durch die MHD-Beschaufelung in der Strömungsmaschine 1 der Figur 1 vorliegt. Dabei ist ein räumlich begrenzter Bereich 39 mit einem Magnetfeld B gezeigt, welcher in axialer Richtung von feldfreien Bereichen .39A, 39B begrenzt ist. Aufgrund der Wirkung der Lorentzkraft FL auf das mit der Geschwindigkeit v sich bewegende geladene Ion 27 findet eine Ablenkung im Bereich 39 senkrecht zur Magnetfeldrichtung und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ions 27 statt, was zu einer gekrümmten Bahnkurve 37 im Bereich 39 führt. In den feldfreien Bereichen 39A, 39B findet hingegen keine Ablenkung statt, d.h. die Bahnkurve verläuft im Wesentlichen ungestört, d.h. geradlinig. Diese elementare Feldverteilung des Magnetfelds B und deren Wirkung auf ein strömendes, expandierendes ionenhaltiges Aktionsfluid A wird mit dem Konzept der Erfindung erstmals bei einer Strömungsmaschine vorgeschlagen.2 shows a path curve 37 (trajectory) of a positively charged ion 27 in a spatially limited magnetic field B, as is idealized by the MHD blading in the turbomachine 1 of FIG. 1. Here, a spatially limited area 39 with a magnetic field B is shown, which is delimited in the axial direction by field-free areas .39A, 39B. Due to the effect of the Lorentz force F L on the charged ion 27 moving with the velocity v, a deflection takes place in the area 39 perpendicular to the magnetic field direction and perpendicular to the direction of movement of the ion 27, which leads to a curved trajectory 37 in the area 39. In contrast, in the field-free areas 39A, 39B there is no deflection, ie the path curve runs essentially undisturbed, ie in a straight line. This elementary field distribution of the magnetic field B and its effect on a flowing, expanding ion-containing action fluid A is proposed for the first time in a turbomachine with the concept of the invention.
Figur 3 zeigt zur näheren Erläuterung eine stark vereinfachte Schnittansicht in axialer Richtung durch einen magnetischen Leitschaufelbereich 15 entlang der Schnittlinie III-III der in FIG 1 dargestellten Strömungsmaschine 1. Der Stator 5 umgibt den Rotor 3 konzentrisch unter Bildung des Strömungskanals 7. Zur Begrenzung des Magnetfelds B im magnetischen
Leitschaufelbereich 15 weist der magnetische Leitschaufelbereich 15 mehrere sich radial einwärts erstreckende Vorsprünge 19 auf, die über den vollen Umfang des Stators 5 angeordnet sind. Die Vorsprünge 19 sind hierbei auf einem sich radial einwärts in den Strömungskanal 7 erstreckenden Umfangsring 29A angeordnet und beispielsweise einstückig mit diesem verbunden. Der die Vorsprünge 19 aufweisende Umfangsring 29A um- fasst den Rotor 5 vollumfänglich und bildet einen Teil eines nicht näher dargestellten Statorgehäuses. Zur besseren Über- sieht ist die Feldverteilung des Magnetfelds B nur in einem Teilbereich des Leitschaufelbereichs 15 dargestellt. Die Polarität ist dergestalt gewählt, dass der magnetische Nordpol N bei den Vorsprüngen 19 des Stators 5 gebildet ist, so dass die Feldlinien bei den Vorsprüngen 19 austreten, den Strö- mungskanal 7 vorwiegend in radialer Richtung einwärts durchdringen und durch die Rotoroberfläche 41 in das Innere des Rotors 3 eintreten. Aufgrund der Ionen 27 im strömenden Aktionsfluid A ist ein Ladungsstrom durch den Stromungskanal 7 erreicht, der mit dem Magnetfeld im magnetischen Leitschau- felberich 15 und im magnetischen Laufschaufelbereich 17 (Figur 4) wechselwirkt, wobei ein induktiver Effekt zu verzei- chen ist. Hierbei wird auf Grund des Ladungsstrom selbst - analog einem stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld - ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich dem externen Ma- gnetfeld B im Strömungskanal überlagert. Hierdurch werden entlang des Ladungsstroms bei einer konstruktiver Überlagerung Feldbereiche mit erhöhter Feldliniendichte gebildet sowie gleichzeitig bei destruktiver Überlagerung entsprechende Feldbereiche mit niedrigerer Feldliniendichte. Da Magnetfeld- linien die Tendenz haben sich zu verkürzen, führt dies zu einer Ablenkung des Ladungsstroms vom Feldbereich mit erhöhter Feldliniendichte zum Feldbereich mit niedriger Feldliniendichte (Lorentz' sches Gesetz).FIG. 3 shows a greatly simplified sectional view in the axial direction through a magnetic guide vane region 15 along the section line III-III of the turbomachine 1 shown in FIG. 1. The stator 5 concentrically surrounds the rotor 3 to form the flow channel 7. To limit the magnetic field B in magnetic Guide vane region 15, the magnetic guide vane region 15 has a plurality of projections 19 which extend radially inwards and are arranged over the full circumference of the stator 5. The projections 19 are arranged on a circumferential ring 29A which extends radially inward into the flow channel 7 and are connected, for example, in one piece to the latter. The circumferential ring 29A, which has the projections 19, completely surrounds the rotor 5 and forms part of a stator housing (not shown in more detail). For a better overview, the field distribution of the magnetic field B is only shown in a partial area of the guide vane area 15. The polarity is selected such that the magnetic north pole N is formed at the projections 19 of the stator 5, so that the field lines emerge at the projections 19, penetrate the flow channel 7 predominantly inwards in the radial direction and through the rotor surface 41 into the interior of the rotor 3 enter. Due to the ions 27 in the flowing action fluid A, a charge current is reached through the flow channel 7, which interacts with the magnetic field in the magnetic guide vane area 15 and in the magnetic blade area 17 (FIG. 4), an inductive effect being noted. Due to the charge current itself - analogous to a current-carrying conductor in a magnetic field - a magnetic field is generated, which is superimposed on the external magnetic field B in the flow channel. As a result, field areas with increased field line density are formed along the charge current in the case of a constructive superimposition, and at the same time corresponding field areas with lower field line density in the case of destructive overlay. Since magnetic field lines tend to shorten, this leads to a deflection of the charge current from the field area with increased field line density to the field area with low field line density (Lorentz's law).
Figur 4 zeigt in analoger Darstellung zu Figur 3 eine Schnittansicht in axialer Richtung durch einen magnetischen Laufschaufelbereich 17 entlang der Schnittlinie IV-IV der in FIG
1 dargestellten Strömungsmaschine. Zur räumlichen Begrenzung des Magnetfelds B im magnetischen Laufschaufelbereich 17 weist der magnetische Laufschaufelbereich 17 mehrere sich radial auswärts erstreckende Vorsprünge 21 auf, die über den vollen Umfang des Rotors 3 auf einem Umfangsring 29B des Rotors 5 angeordnet sind. Der Umfangsring 29B dient der räumlichen Begrenzung, insbesondere in axialer Richtung, des Magnetfelds B im magnetischen Laufschaufelbereich 17 und erstreckt sich sich radial auswärts. Die Polarität des Magnet- felds B ist gegenüber dem magnetischen Laufschaufelbereich 17 (Figur 3) hier so gewählt, dass magnetische Nordpole N nunmehr bei den Vorsprüngen 21 des Rotors 5 gebildet sind, so dass die Feldlinien bei den Vorsprüngen 21 austreten, den Stromungskanal 7 in radialer Richtung auswärts durchdringen und durch die Statoroberfläche 43 in das Innere des Stators 3 eintreten. Durch die Vorsprünge 19,21 wird eine Konzentration der Magnetfeldlinien, d.h. eine erhöhte Stärke des radialen Magnetfelds B im Leitschaufelbereich 17 bzw. im Laufschaufelbereich 15 erzielt und dadurch die Wechselwirkung des Magnet- felds B mit dem durch die Bewegung der Ionen 27 einhergehenden Ladungsstrom auf diese lokalen Bereiche beschränkt. Durch die Feldverteilung in dem Leitschaufelbereich 17 und dem Laufschaufelbereich 15 werden so magnetische Ablenkungsebenen (Leitebenen und Laufebenen) bzw. auf Grund der axialen Dimen- sion Ablenkungsscheiben realisiert.FIG. 4 shows, in an analogous representation to FIG. 3, a sectional view in the axial direction through a magnetic blade area 17 along the section line IV-IV of the FIG 1 shown flow machine. To spatially limit the magnetic field B in the magnetic blade area 17, the magnetic blade area 17 has a plurality of projections 21 which extend radially outward and are arranged over the full circumference of the rotor 3 on a circumferential ring 29B of the rotor 5. The circumferential ring 29B serves for the spatial limitation, in particular in the axial direction, of the magnetic field B in the magnetic rotor blade region 17 and extends radially outward. The polarity of the magnetic field B in relation to the magnetic blade area 17 (FIG. 3) is chosen here such that magnetic north poles N are now formed at the projections 21 of the rotor 5, so that the field lines emerge at the projections 21, the flow channel 7 in penetrate radially outward and enter the inside of the stator 3 through the stator surface 43. The projections 19, 21 result in a concentration of the magnetic field lines, ie an increased strength of the radial magnetic field B in the guide vane region 17 or in the rotor blade region 15, and thereby the interaction of the magnetic field B with the charge current on the ions due to the movement of the ions 27 local areas limited. Magnetic deflection planes (guide planes and running planes) or deflection disks based on the axial dimension are thus realized by the field distribution in the guide vane region 17 and the rotor blade region 15.
Die Bereitstellung solcher magnetischer Ablenkungsebenen für die geladenen Teilchen 25, 27 bzw. das ionenhaltige Aktionsfluid A durch das Magnetfeld B ist in ihrer Wirkung dabei ei- nem konventionellen Schaufelgitter sehr ähnlich:The provision of such magnetic deflection planes for the charged particles 25, 27 or the ion-containing action fluid A by the magnetic field B is very similar in effect to a conventional vane grille:
Im Falle einer - wie hier beispielhaft diskutiert - axialen Strömungsmaschine 1 erfolgt beispielsweise eine Ablenkung von überwiegend axialer Strömung des Aktionsfluids A in einer Strömung mit sowohl axialer als auch tangentialer Komponente, dies aufgrund der Tatsache, dass aufgrund der Lorentzkraft FL (Figur 2) den geladenen Teilchen 25, 27 senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld B
eine tangentiale Komponente aufgeprägt wird. Diese Ablenkung ist mit einer Umwandlung von Druckenergie des Aktionsfluids A in kinetische Energie, analog einem Leitgitter einer konventionellen Turbine, verbunden. In gleicher Weise ist es mög- lieh von einer Strömung des Aktionsfluid A mit axialer und tangentialer Komponente eine Umwandlung in eine überwiegend axiale Strömung - unter Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Arbeit, analog zu einem Laufgitter einer konventionellen Turbine - zu erzielen. Eine geeignete Magnetfeldkonfi- guration mit räumlich und ggf. zeitlich durch den Magneten 9 erzeugten Magnetfeld B in dem Strömungskanal 7 erlaubt mithin analog zu konventionellen Turbinen eine fortschreitende Expansion des Aktionsfluids A unter Gewinnung von mechanischer Arbeit, die in Form von Rotationsenergie auf den Rotor 3 we- gen der zu verzeichnenden magnetisch-induzierten Drehimpulsänderung übertragbar ist, so dass dieser mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotiert.In the case of an axial flow machine 1 - as discussed here by way of example - a predominantly axial flow of the action fluid A is deflected in a flow with both an axial and a tangential component, due to the fact that due to the Lorentz force F L (FIG. 2) charged particles 25, 27 perpendicular to the direction of flow through the interaction with the magnetic field B a tangential component is impressed. This deflection is associated with a conversion of pressure energy of the action fluid A into kinetic energy, analogous to a guide vane of a conventional turbine. In the same way, it is possible to convert a flow of the action fluid A with an axial and tangential component into a predominantly axial flow - by converting kinetic energy into mechanical work, analogous to a playpen of a conventional turbine. A suitable magnetic field configuration with magnetic field B in the flow channel 7 generated spatially and possibly temporally by the magnet 9 thus allows, analogously to conventional turbines, a progressive expansion of the action fluid A while obtaining mechanical work, which in the form of rotational energy on the rotor 3 - against the magnetic-induced change in angular momentum to be recorded, so that it rotates at an angular velocity ω.
Um die Analogie der MHD-Strömungsmaschine 1 mit einer konven- tionellen Turbine, z.B. einer Dampfturbine, zu illustrieren sind in den Figuren 5 und 6 der Druckverlauf 49 und der Geschwindigkeitsverlauf 51 für eine konventionelle Überdruckturbine mit herkömmlicher Beschaufelung (Figur 5) und für eine Strömungsmaschine 1 mit MHD-Beschaufelung gezeigt. Der Bahnverlauf 37 in Figur 5 eines Teilchens, z.B. eines Gasoder Dampfmoleküls, durch die Turbinenstufen, die jeweils aus konventionellem Leitrad 45 und Laufrad 47 gebildet sind, ähnelt qualitativ in hohem Maße dem Bahnverlauf 37 eines Ions 27 beim Durchlaufen der magnetischen Stufen der Erfindung, die jeweils axial aufeinander folgend aus einem magnetischen Leitschaufelbereich 15, einem feldfreien Zwischenraum 35 und einem magnetischen Laufschaufelbereich 17 zusammengesetzt sind. Diese Analogie ist auch bei dem Druckverlauf 49 und bei dem Geschwindigkeitsverlauf zu finden:In order to compare the MHD fluid flow machine 1 with a conventional turbine, e.g. a steam turbine, the pressure curve 49 and the speed curve 51 are shown in FIGS. 5 and 6 for a conventional positive pressure turbine with conventional blading (FIG. 5) and for a turbomachine 1 with MHD blading. The path 37 in Figure 5 of a particle, e.g. of a gas or steam molecule, through the turbine stages, which are each formed from a conventional stator 45 and impeller 47, is qualitatively very similar to the path 37 of an ion 27 when passing through the magnetic stages of the invention, each of which axially successively from a magnetic guide vane region 15, a field-free space 35 and a magnetic blade area 17 are composed. This analogy can also be found in the pressure curve 49 and in the speed curve:
Der Druckverlauf 49 des in axialer Richtung expandierenden Aktionsfluids A ist im mittleren Teildiagramm der Figuren 5
und 6 gegenüber der axialen Lauflänge L (Figur 6) bzw. gegenüber der Stufenzahl (Figur 5) aufgetragen. Der Druck p ist auf der Y-Achse der Koordinatensysteme und die axiale Lauflänge L bzw. die Stufenzahl auf der X-Achse aufgetragen. Der Druck p nimmt in beiden Teildiagrammen gleichermaßen stufenförmig entlang der X-Achse ab, wobei insbesondere im magnetischen Leitschaufelbereich 17 und Laufschaufelbereich 15 entsprechend dem Druckverlauf über die konventionelle Leitschaufelreihe 45 und die Laufschaufelreihe 47 ein deutlicher Druckabfall zu verzeichnen ist. Dazwischen ist der Druck p näherungsweise konstant.The pressure curve 49 of the action fluid A expanding in the axial direction is in the middle partial diagram of FIGS. 5 and 6 against the axial length L (Figure 6) or against the number of steps (Figure 5). The pressure p is plotted on the Y axis of the coordinate systems and the axial run length L or the number of steps on the X axis. In both partial diagrams, the pressure p decreases in steps in the same way along the X-axis, with a significant pressure drop in particular in the magnetic guide vane region 17 and rotor blade region 15 in accordance with the pressure curve over the conventional guide vane series 45 and the rotor vane series 47. In between, the pressure p is approximately constant.
Der Geschwindigkeitsverlauf 51 des in axialer Richtung expandierenden Aktionsfluids A ist im unteren Teildiagramm der Fi- guren 5 und 6 gegenüber der axialen Lauflänge L (Figur 6) bzw. gegenüber der Stufenzahl (Figur 5) aufgetragen. Die Geschwindigkeit c ist auf der Y-Achse der Koordinatensysteme und die axiale Lauflänge L bzw. die Stufenzahl auf der X- Achse aufgetragen. Mit der Geschwindigkeit c ist in diesen Fällen die sogenannte Absolutgeschwindigkeit gemeint, eine im Turbinenbau allgemein bekannte Größe.The speed profile 51 of the action fluid A expanding in the axial direction is plotted in the lower partial diagram of FIGS. 5 and 6 in relation to the axial running length L (FIG. 6) or in relation to the number of stages (FIG. 5). The speed c is plotted on the Y axis of the coordinate systems and the axial run length L or the number of steps on the X axis. In these cases, the speed c means the so-called absolute speed, a variable that is generally known in turbine construction.
Die Geschwindigkeit c alterniert in beiden Teildiagrammen gleichermaßen zwischen einem Minimalwert Cmin und einem Maxi- malwert cmax. Dabei steigt die Geschwindigkeit c über eineThe speed c alternates in two partial diagrams n equally between a minimum value and a maximum value Cmi c max. The speed c rises above one
Leitschaufelreihe 45 von dem Minimalwert cm±n bis zu dem Maximalwert Cmaχ an, erreicht einen plateauförmigen nahezu konstanten Abschnitt, um anschließend über die nachfolgende Laufschaufelreihe 47 wieder von dem Maximalwert cmax bis zu dem Minimalwert cmin abzunehmen. Dieser Geschwindigkeitsverlauf 51 ist exakt auch im entsprechenden unteren Teildiagramm der Figur 6 zu finden, wo diese Effekte auf die Geschwindigkeit c auch bei der axialen Expansion des Aktionsfluids A durch einen magnetischen Leitschaufelbereich 15, den Zwi- schenraum 35 sowie den magnetischen Laufschaufelbereich 17 auftreten.
In einem Blockdiagramm zeigt Figur 7 stark vereinfacht und schematisch die Anordnung der Prozessfunktionen Dl bis D7 und Prozesseinrichtungen am Beispiel einer Dampfturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer (MHD-) Beschaufelung der Er- findung. Zunächst sind vorgeschaltete Prozessfunktionen Dl und D2 vorgesehen, die vor dem eigentlichen MHD-Prozess in einer Strömungsmaschine 1, hier einer Dampfturbine mit einem Dampfprozess, durchgeführt werden. Die vorgeschalteten Prozessfunktionen umfassen zunächst die Wärmezufuhr in das Akti- onsfluid A, hier dem Wasser- oder Wasserdampf. Die Aufheizung des Aktionsfluids im Prozessschritt Dl kann dabei beispielsweise in einem Kessel, einem Dampferzeugerkessel, erfolgen. Anschließend erfolgt (optional) in D2 ein konventioneller Dampfturbinenprozess, wobei das aufgeheizte Aktionsfluid A eine konventionelle Dampfturbinenbeschaufelung arbeitslei- stend durchströmt und sich dabei teilentspannt. Zur Erzeugung eines ionenhaltigen Aktionsfluids A ist in Prozessschritt D3 die Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A vorgesehen. Hierzu ist eine Ionisierungseinrichtung 23 implemantiert, die z.B. mittels Strahlungsionisation oder Elektronen- Stoßionisation Ionen 27 (vgl. auch Figur 1) mit ausreichender Dichte im Aktionsfluid A erzeugt. In Prozessschritt D4 wird der eigentliche MHD-Prozess durchgeführt. Der Stromungs anal 7 wird von dem ionenhaltigen Aktionsfluid A durchströmt, wo- bei in dem Stromungs anal 7 ein definiertes Magnetfeld B erzeugt wird, wobei die Ionen in dem Magnetfeld abgelenkt werden. Der Rotor 3 der MHD-Stromungsmaschine 1 wird infolge der Ablenkung der Ionen 27 aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt. Ionen 27 können dabei durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A auch während dem Durchströmen des Strömungskanals 7 im MHD-Prozessschritt D4 erzeugt werden. Falls erforderlich ist ein Prozessschritt D5 dem MHD-Prozessschritt D4 nachgeschaltet, bei welchem in einem Rekombinationsprozess und/oder in einem katalytischen Prozess das Aktionsfluid von schädigenden Substanzen gereinigt wird. Für diesen Reinigungsschritt ist z.B. eine Rekombinationseinrichtung 31 implementiert. Die nachgeschalteten
Prozessschritte D6 und D7 sind konventioneller Natur: So erfolgt (optional) in D6 wiederum ein konventioneller Dampftur- binenprozess, wobei das noch heiße Aktionsfluid A eine konventionelle Dampfturbinenbeschaufelung arbeitsleistend durchströmt und sich dabei weiter entspannt. Auf diese Weise ist eine möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad der gesamten Dampfturbinenanlage erzielbar. Abschließend wird in Prozessschritt D7 die Wärmeabfuhr aus dem weitgehend entspannten Aktionsfluid A in einem Kondensator 53 durchgeführt.Row of guide vanes 45 from the minimum value c m ± n up to the maximum value C ma χ, reaches a plateau-shaped nearly constant section to then decrease over the subsequent row of rotating blades 47 back from the maximum value c max to the minimum value c m i n. This speed profile 51 can also be found exactly in the corresponding lower partial diagram of FIG. 6, where these effects on the speed c also occur during the axial expansion of the action fluid A through a magnetic guide vane region 15, the intermediate space 35 and the magnetic rotor blade region 17. In a block diagram, FIG. 7 shows, in a highly simplified and schematic manner, the arrangement of the process functions D1 to D7 and process devices using the example of a steam turbine using magnetohydrodynamic (MHD) blading of the invention. First of all, upstream process functions D1 and D2 are provided, which are carried out before the actual MHD process in a turbomachine 1, here a steam turbine with a steam process. The upstream process functions initially include the supply of heat into the action fluid A, here the water or water vapor. The action fluid in process step D1 can be heated, for example, in a boiler, a steam generator boiler. This is followed (optionally) in D2 by a conventional steam turbine process, in which the heated action fluid A flows through a conventional steam turbine blading in a work-guiding manner and thereby partially relaxes. To generate an ion-containing action fluid A, the ionization of particles in the action fluid A is provided in process step D3. For this purpose, an ionization device 23 is implemented, which generates ions 27 (cf. also FIG. 1) with sufficient density in the action fluid A, for example by means of radiation ionization or electron impact ionization. The actual MHD process is carried out in process step D4. The ionic action fluid A flows through the flow anal 7, a defined magnetic field B being generated in the flow anal 7, the ions being deflected in the magnetic field. The rotor 3 of the MHD flow machine 1 is set in rotation due to the deflection of the ions 27 due to the interaction with the magnetic field. Ions 27 can also be generated by ionization of particles in the action fluid A while flowing through the flow channel 7 in the MHD process step D4. If necessary, a process step D5 follows the MHD process step D4, in which the action fluid is cleaned of harmful substances in a recombination process and / or in a catalytic process. A recombination device 31 is implemented for this cleaning step, for example. The downstream Process steps D6 and D7 are conventional in nature: Thus, a conventional steam turbine process takes place (optionally) in D6, with the still hot action fluid A flowing through a conventional steam turbine blading while performing work and thereby relaxing further. In this way, the highest possible overall efficiency of the entire steam turbine system can be achieved. Finally, in process step D7, the heat is removed from the largely relaxed action fluid A in a condenser 53.
In einem weiteren Blockdiagramm zeigt Figur 8 stark vereinfacht und schematisch die Anordung der Prozessfunktionen Gl bis G7 und Prozeßeinrichtungen am Beispiel einer Gasturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer (MHD-) Beschaufelung der Erfindung. Zunächst ist eine vorgeschaltete Prozessfunktionen Dl vorgesehen, die vor dem eigentlichen MHD-Prozess in einer Strömungsmaschine 1, hier einer Gasturbine mit Gastur- binenprozess, durchgeführt wird. Die vorgeschaltete Prozessfunktion Gl umfasst zunächst das Verdichten eines Aktions- fluid A, hier von Verdichterluft in einem konventionellenIn a further block diagram, FIG. 8 shows, in a highly simplified and schematic manner, the arrangement of the process functions G1 to G7 and process devices using the example of a gas turbine using magnetohydrodynamic (MHD) blading of the invention. First of all, an upstream process function D1 is provided, which is carried out before the actual MHD process in a turbomachine 1, here a gas turbine with a gas turbine process. The upstream process function Gl initially comprises the compression of an action fluid A, here of compressor air in a conventional one
Verdichterteil. Anschließend erfolgt in G2 optional ein MHD- Verdichterprozess, bei dem ein ionenhaltiges Aktionsfluid A mittels einer Ionisierungseinrichtung 23 erzeugt und in einem MHD-Prozess in einem MHD-Verdichter mit MHD-Beschaufelung verdichtet wird. Danach wird in Schritt G3 das derart verdichtete Aktionsfluid A aufgeheizt. Die Aufheizung des Aktionsfluids A im Prozessschritt G3 kann dabei beispielsweise in der Brennkammer der Gasturbine durchgeführt werden, wobei die Verdichterluft aus Prozessschritt G2 zusammen mit einem Brennstoff verbrannt wird und somit ein heißes Verbrennungsgas als Aktionsfluid A für den nachgeschalteten Prozessschritt G4 zur Verfügung steht.Compressor part. Subsequently, an MHD compression process optionally takes place in G2, in which an ion-containing action fluid A is generated by means of an ionization device 23 and is compressed in an MHD process in an MHD compressor with MHD blading. The action fluid A compressed in this way is then heated in step G3. The heating of the action fluid A in process step G3 can be carried out, for example, in the combustion chamber of the gas turbine, the compressor air from process step G2 being burned together with a fuel and thus a hot combustion gas being available as action fluid A for the subsequent process step G4.
Zur Erzeugung eines ionenhaltigen Aktionsfluids A ist in Pro- zessschritt G4 die Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A vorgesehen. Hierzu ist eine Ionisierungseinrichtung 23 implementiert, die z.B. mittels Strahlungsionisation oder Elektro-
nen-Stoßionisation Ionen 27 (vgl. auch Figur 1) mit ausreichender Dichte im Aktionsfluid A erzeugt. In Prozessschritt G4 wird zugleich der eigentliche MHD-Prozess durchgeführt. Der Strömungskanal 7 wird von dem ionenhaltigen Aktionsfluid A durchströmt, wobei in dem Stromungskanal 7 ein definiertes Magnetfeld B erzeugt wird, wobei die Ionen 27 in dem Magnetfeld abgelenkt werden. Der Rotor 3 der MHD-Strömungsmaschine 1, hier einer MHD-Gasturbine, wird infolge der Ablenkung der Ionen 27 aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt. Ionen 27 können dabei durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A auch zusätzlich noch vor Eintritt in den Stromungskanal 7 im MHD-Prozessschritt G4 erzeugt werden. Falls erforderlich ist ein Prozessschritt G5 dem MHD- Prozessschritt G4 nachgeschaltet, bei welchem in einem Rekom- binationsprozess und/oder in einem katalytischen Prozess das Aktionsfluid A von schädigenden Substanzen gereinigt wird. Für diesen Reinigungsschritt ist z.B. eine Rekombinationseinrichtung 31 implementiert. Die nachgeschalteten Prozessschritte D6 und D7 sind konventioneller Natur: So erfolgt (optional) in G6 wiederum ein konventioneller Gasturbinenpro- zess, wobei das noch heiße Aktionsfluid A, d.h. das Heißgas, eine konventionelle Gasturbinenbeschaufelung arbeitsleistend durchströmt und sich dabei weiter entspannt und abkühlt. Auf diese Weise ist eine möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage, die die Prozessschritte Gl bis G7 umfasst, erzielbar. Abschließend wird in Prozessschritt G7 die Wärmeabfuhr aus dem bereits weitgehend entspannten und abgekühlten Aktionsfluid A in einem Abhitzekessel 55, einer sonstigen Wärmetauschereinrichtung oder einem Kamin vorgenom- men.To generate an ion-containing action fluid A, the ionization of particles in action fluid A is provided in process step G4. For this purpose, an ionization device 23 is implemented, which is used for example by means of radiation ionization or electrical Ion impact ionization 27 (see also FIG. 1) with sufficient density in the action fluid A is generated. In process step G4, the actual MHD process is carried out at the same time. The ion-containing action fluid A flows through the flow channel 7, a defined magnetic field B being generated in the flow channel 7, the ions 27 being deflected in the magnetic field. The rotor 3 of the MHD turbomachine 1, here an MHD gas turbine, is set in rotation due to the deflection of the ions 27 due to the interaction with the magnetic field. Ions 27 can also be generated by ionization of particles in the action fluid A before entering the flow channel 7 in the MHD process step G4. If necessary, a process step G5 follows the MHD process step G4, in which the action fluid A is cleaned of harmful substances in a recombination process and / or in a catalytic process. A recombination device 31 is implemented for this cleaning step, for example. The downstream process steps D6 and D7 are of a conventional nature: Thus, a conventional gas turbine process takes place (optionally) in G6, whereby the still hot action fluid A, ie the hot gas, flows through a conventional gas turbine blading while performing work, and further relaxes and cools down. In this way, the highest possible overall efficiency of the entire gas turbine system, which includes process steps G1 to G7, can be achieved. Finally, in process step G7, the heat is removed from the already largely relaxed and cooled action fluid A in a waste heat boiler 55, another heat exchanger device or a chimney.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass - wie gezeigt wurde - eine MHD-Beschaufelung für eine Strömungsmaschine bedeuten kann, dass sowohl magnetische Leitschaufelbereiche 15 als auch magnetische Laufschaufelbereiche 17 unter Ausnutzung des magnetohydrodynamischen Effekts in einer Strömungsmaschine 1 realisiert sind. Es ist aber ebenso möglich ein konventionel-
les Leitrad oder eine Leitschaufelreihe 45 mit einem magnetischen Laufschaufelbereich 17 zu kombinieren oder aber einen magnetischen Leitschaufelbereich 15 mit einem konventionellen Laufrad oder Laufschaufelreihe 47. In diesem Sinne sind dem- nach auch „Mischstufen" mit MHD-und konventioneller Beschaufelung in einer Strömungsmaschine loder in einer Prozessanlage mit einer Strömungsmaschine 1 realisierbar. Dabei ist es zweckmäßig für den Betrieb der Strömungsmaschine 1 die Ionisierungseinrichtung 23 dem MHD-Prozess vorzuschalten, damit bereits beim Eintritt in den Strömungskanal 7 der Strömungsmaschine 1 eine hinreichend große Dichte an Ionen 27 im Aktionsfluid gewährleistet ist. Eine Nachionisation kann im Verlauf der Prozesses, d.h. während des Durchströmens des Strömungskanals 7 mit dem ionenhaltigen Aktionsfluid A, kontinu- ierlich oder wiederholt mittels geeigneter Ionisierungseinrichtungen 23 vorgenommen werden. Eine Rekombinationseinrichtung 31 kann nach Durchströmen der MHD-Beschaufelung oder fallweise auch in deren Verlauf - insbesondere bei schutzbedürftigen Einrichtungen oder Bauteilen im Strömungskanal 7 - zur Reinigung vorgesehen sein. Es empfiehlt sich im letzteren Fall die erneute Ionisation von Aktionsfluid A im Strömungskanal 7 vor Einströmen des Aktionsfluids A in den nächsten magnetischen Leitschaufelbereich 15 oder Laufschaufelbereich 17.
In summary, it should be noted that - as has been shown - MHD blading for a turbomachine can mean that both magnetic guide vane regions 15 and magnetic rotor vane regions 17 are implemented in a turbomachine 1 using the magnetohydrodynamic effect. But it is also possible to use a conventional les stator or a row of guide vanes 45 to combine with a magnetic blade area 17 or a magnetic guide blade area 15 with a conventional impeller or blade row 47. In this sense, "mixing stages" with MHD and conventional blading in a turbo machine or in one Process system can be implemented with a turbomachine 1. It is expedient for the operation of the turbomachine 1 to precede the ionization device 23 with the MHD process, so that a sufficiently high density of ions 27 in the action fluid is guaranteed as soon as it enters the flow channel 7 of the turbomachine 1 Post-ionization can be carried out continuously or repeatedly in the course of the process, ie while the flow-through channel 7 is being filled with the ion-containing action fluid A, by means of suitable ionization devices 23. A recombination device 31 can be used after flows In the MHD blading or occasionally also in the course thereof - in particular in the case of devices or components in the flow channel 7 requiring protection - be provided for cleaning. In the latter case, it is advisable to ionize action fluid A again in flow channel 7 before action fluid A flows into the next magnetic guide vane region 15 or rotor blade region 17.