WO2020025635A1 - Kaskadenturbine - Google Patents

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WO2020025635A1
WO2020025635A1 PCT/EP2019/070542 EP2019070542W WO2020025635A1 WO 2020025635 A1 WO2020025635 A1 WO 2020025635A1 EP 2019070542 W EP2019070542 W EP 2019070542W WO 2020025635 A1 WO2020025635 A1 WO 2020025635A1
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turbine
wing
flow
rotation
impeller
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PCT/EP2019/070542
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Grimm
Original Assignee
Friedrich Grimm
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/04—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially axially
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A47—FURNITURE; DOMESTIC ARTICLES OR APPLIANCES; COFFEE MILLS; SPICE MILLS; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L—DOMESTIC WASHING OR CLEANING; SUCTION CLEANERS IN GENERAL
    • A47L5/00—Structural features of suction cleaners
    • A47L5/12—Structural features of suction cleaners with power-driven air-pumps or air-compressors, e.g. driven by motor vehicle engine vacuum
    • A47L5/22—Structural features of suction cleaners with power-driven air-pumps or air-compressors, e.g. driven by motor vehicle engine vacuum with rotary fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/22—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations
    • F01D5/225—Blade-to-blade connections, e.g. for damping vibrations by shrouding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/34—Rotor-blade aggregates of unitary construction, e.g. formed of sheet laminae
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/007—Axial-flow pumps multistage fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • F04D29/388—Blades characterised by construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/129—Cascades, i.e. assemblies of similar profiles acting in parallel

Definitions

  • the invention relates to a turbine with an empennage and a drive mechanism, the housing of which accommodates at least one multi-stage compression module and / or at least one multi-stage expansion module between the flow inlet and the flow outlet.
  • the turbine tail unit consists of several stator wheels, each arranged at a distance from one another and rigidly connected to the housing, while the drive unit consists of a cascade of several stator wheels running between the stator wheels in a plane of rotation and through a common shaft
  • impellers wherein a single stage of the multi-stage compression and the multi-stage expansion module is formed by a stator and an impeller.
  • the impellers of the turbine each have at least one race wing with a convex suction and a concave pressure side, which is in an inclined with an angle of inclination with respect to the plane of rotation from one of the impellers
  • Conical angle of the flow formed resulting flow is flowed against and has an asymmetrical wing profile in the plane of inclination.
  • One embodiment relates to turbomachines that are designed to convert the internal energy of a compressible fluid into a rotational power on the shaft of the turbine.
  • a preferred steam engine is e.g. from several
  • Expansion modules that are designed as high, medium and low pressure expansion modules.
  • Embodiments also relate to gas turbines for power generation and turbines
  • Sheathed flow engine in which the high-pressure compression module from a high-pressure expansion module and the fan from a low-pressure Expansion module are each driven with a separate shaft.
  • the turbine can also be used as a heat pump or as
  • Cooling turbine are formed, in which the compression module is connected to a heat exchanger. Particular attention is paid to the embodiments of electric turbines
  • Expansion module is replaced by an electric motor and the jet engine has a thrust stage that works as a low-pressure compression module.
  • Other applications of the low pressure compression module generally relate to a fan or blower and also a fan in connection with a device, e.g. for the exchange of air in a room or for the thermal conditioning of a building or a vehicle and also in connection with a turbine suction device.
  • turbomachines are known as steam turbines with a usable mechanical output of up to 1.5 gigawatts. Made in 1888 by Carl Gustaf Patrik de Laval
  • the steam turbine presented had an efficiency of 30%.
  • the efficiency of current high-pressure steam turbines reaches almost 50% - nothing more. In the sense of being available at all times
  • Efficiency are related to the overall efficiency of the system and relate to the thermodynamic process and the
  • Turbine itself. In itself, a stage of a gas or steam turbine achieves an efficiency of 90%. turbines
  • Jet engines form with their high performance, their thrust and their reliability the backbone of the world
  • turbo jet engines Air traffic.
  • Different designs for turbo jet engines are known, e.g. a turbofan engine, a turboprop fan engine, a turboprop jet engine, one
  • Compression module is a so-called tandem blade for the
  • Axial compressor of an aircraft engine known. These tandem blades cause a maximum deflection of the flow at a stator of the compression module without causing undesirable flow separations within a cascade of guide and
  • a jet engine consists of
  • a thrust nozzle at the flow outlet of the housing is designed to eject the hot air and exhaust gas jet into the surrounding air. According to the recoil principle, the thrust driving the aircraft acts in the direction of flight.
  • a turbine jet engine is different from one
  • a turbine jet engine is very efficient at high speeds at high altitudes. At low speeds, propeller-driven engines are more efficient. In the case of turbofan engines with a fan, the turbofan is used to generate additional drive energy for the
  • the embodiment also relates to a heat pump and a cooling turbine which conveys heat from a low to a higher temperature level in the sense of a left-handed circular process using work and is designed as a heat pump or as a cooling machine.
  • CH 509 502 is a control device for steam turbines, which consists of several expansion modules for high, medium and
  • DE 198 58 702 B4 discloses a method for connecting blade parts of a gas turbine and the blade and the rotor of a gas turbine.
  • DE 10 2014 206 216 B4 discloses a compression grille for an axial compressor, in which the radial guide vanes are arranged in two rows and have a front and a rear blade in the direction of flow, with the
  • EP 2 743 453 A1 shows an arrangement of rotor blades for a turbine, each of which has a wing nose and a wing trailing edge and are connected to one another by cantilevered, tapered connecting pieces in the tangential direction, so that a collar connecting the rotor blades of an impeller with a teardrop-shaped one Profile is formed.
  • EP 3 187 688 A1 describes a radial rotor blade with a convex suction side and a concave pressure side for one
  • the rotor blade tip is provided with two blades projecting from the rotor blade, which are referred to as suction blades on the convex suction side and as pressure blades on the concave pressure side, an interface being formed on two adjacent rotor blades.
  • These cantilevers form a stabilizing collar on one impeller of the turbine, which is intended to prevent torsional deformation of the individual rotor blades during operation of the turbine and also enables the replacement of a single rotor blade of the impeller.
  • the upstream wing direction is thicker
  • the object of the invention is to provide a new turbine.
  • a turbine has a housing and a multi-stage module arranged in the housing, which module has a drive and an empennage, which housing has a flow inlet and a flow outlet and is designed for guiding a fluid flowing between the flow inlet and flow outlet, which empennage a plurality of idlers with guide vanes rigidly connected to the housing
  • assigned rotational plane are drivable and are at least partially arranged between the guide wheels, each having a guide wheel and an impeller a stage of the multi-stage
  • impellers at least partially have at least one concentrically arranged to the axis of rotation race, which race a
  • asymmetrical raceway wing profile with a suction side, a pressure side, a wing nose oriented to the flow inlet of the housing and one to the flow outlet of the housing
  • guide ring wings Arranged in rotation axis, guide ring wings, which guide ring wing has an asymmetrical guide ring wing profile with a suction side and a pressure side, which guide ring wing is preceded by at least one race ring wing of the impeller in the direction of flow with a pitch angle with respect to the axis of rotation, the suction sides of the guide ring wing and of the race wing are arranged opposite each other on the outside or the inside of the guide ring wing or the race wing.
  • the module is as
  • Compression module or expansion module can be used for compression (e.g. in a steam turbine) or for expansion (e.g. behind a combustion chamber).
  • the turbine preferably has a thermodynamic or
  • a rotor ring connected to the shaft via the radial turbine blades is preferred for the impeller of a turbine in an inclined angle with respect to the plane of rotation
  • a profile for the raceway wing preferably acts with a defined angle of inclination relative to the
  • Rotation plane inclined inclination plane fluid dynamically as a lift rotor and has an asymmetrical wing profile.
  • the invention has, at least in part, the following advantages: - Activation of dynamic buoyancy on the impeller blades of the impellers of a turbine
  • a large number of raceway vanes of the drive result in a tangential driving force, which causes rotational power on the shaft of a multi-stage turbine
  • a plurality / plurality of radial vanes are formed
  • Blade grille for a guide wheel of the tail unit and a bending, shear and torsion resistant turbine blade grille for an impeller of the drive of a turbine
  • connection technology for a circular sector of an impeller of the turbine drive, which enables the replacement of a single radial turbine blade
  • the turbine casing takes at least one multi-stage
  • Compression module and / or at least one multi-stage
  • Expansion module on which modules are each formed by an inner and an outer, rotationally symmetrical
  • Compression module narrows the cross section of the housing in the direction of flow, the cone angle of the flow being specified either by the flow guide surfaces and / or by the guide ring vanes of the turbine tail unit.
  • the convex sides of the radial are on the multi-stage compression module
  • Turbine blades each oriented against the direction of rotation of the impellers.
  • the convex sides of the radial guide vanes are against the
  • the cone angle is created dynamically as the pressure increases and decreases Velocity of a flowing fluid by itself, the cross section of the housing widening in the direction of flow with a cone angle.
  • the guide ring wing with an asymmetrical wing profile.
  • the guide ring wing is either one part or two parts
  • a two-part guide ring wing has one
  • Tandem airfoil made of two successive and mutually overlapping asymmetrical airfoil profiles, each with a chord inclined with respect to the axis of rotation, which defines the cone angle for the resulting flow to the downstream
  • Guide ring vanes are inclined more steeply than the chords of the race ring vanes. A nozzle flow occurs at the guide vane grille of the guide wheel, which flows with the wake of the
  • Turbine blade grille of the impeller interacts so that an accelerated flow enables the impeller to flow against the impeller with a maximum cone angle.
  • the inner and outer flow guide surfaces of the housing can be arranged parallel to one another.
  • Compression level and at an expansion level changes the convex suction side on the guide ring wing and on the
  • Race wing in each case from the inside facing the axis of rotation to the outside facing away from the axis of rotation or vice versa from the outside to the inside.
  • the radial guide vanes in the guide wheel and the radial turbine blades of the impeller are each designed as twisted asymmetrical wing profiles
  • the drive of the multi-stage compression module and the multi-stage expansion module each consist of a cascade of impellers.
  • the radial turbine blades In the plane of rotation of the impeller, the radial turbine blades have an angle of attack which is dependent on the respective rotational speed, the amount of which decreases from the shaft-side to the outer end of the radial turbine blades.
  • the radial turbine blades of an impeller are either non-positively connected in the plane of rotation with only a single impeller blade or the impeller has a plurality of concentrically arranged impeller blades, which are each connected to the radial turbine blades in the plane of rotation.
  • the race wing has a slightly upward inclined profile chord that extends between the wing nose and the trailing edge of the wing and a circular pressure point line and is flowed over its entire circumference by the resulting inflow, so that the raceway wing in the inclination plane is perpendicular to the resulting inflow on the circular
  • Pressure dot line creates dynamic buoyancy.
  • the pressure point of a body in the flow is where everyone is
  • the dynamic buoyancy of the race wing is divided into the suction force acting perpendicular to the axis of rotation and the resistance, as well as into the propulsive force, which in turn acts as a torque acting in the plane of rotation in the direction of rotation of the race wing and on the shaft a torque
  • the impeller of an electrically driven turbine can be made from a single piece of plastic in an injection molding process or from metal in a die casting process.
  • Turbine impellers subject to thermal stress are made of special metal alloys and can e.g. from a flow-facing and a flow-facing half, one below the other
  • thermodynamically driven turbine can also be used
  • the race wing each has a joint with a recess for receiving a spring to produce a tongue-and-groove connection between two
  • the screw connections of the left and right springs with the race wing are loosened, the springs being pushed completely into the recess in the hollow chamber profile in order to be able to push the turbine blade out of the grooves in the shaft.
  • the spring In the working position, the spring is non-positively connected to the race wing segment of a first turbine blade and half projects into it
  • An impeller in which the wing lugs and the trailing edge of the radial turbine blades and the impeller blades each lie in one plane, forms a disc that is resistant to bending, shear and torsion, which is characterized by high
  • the disc can be in one piece or, as described, in a plurality
  • a grooved shaft can be provided to replace an impeller and is pushed out of the drive in the direction of the axis of rotation.
  • An undercut connection can be made between the shaft and a single turbine blade
  • a turbine jet engine forms an impeller together with the downstream stator, the first stage of a multi-stage compression module.
  • the radial turbine blades of the impeller are connected at their outer end to a rotor blade, the convex one
  • Suction side is oriented to the axis of rotation.
  • thermodynamic turbine jet engine closes in the direction of flow at least one combustion chamber as well
  • At least one multi-stage expansion module with a thrust nozzle as a flow outlet to the multi-stage compression module at least one multi-stage expansion module with a thrust nozzle as a flow outlet to the multi-stage compression module.
  • the turbine jet engine is either as one
  • Sheathed flow engine or as a propane engine or as a shaft turbine or as a turboprop engine or as an inflow jet engine.
  • the housing of the turbine consists of two concentrically arranged shells and has either a thrust stage formed by a guide and an impeller either at the flow inlet or at the flow outlet.
  • the thrust level is at
  • the high speed of the fan accelerates the incoming air and causes in the
  • the electrically powered turbofan engine forms the
  • Thrust stage the flow inlet of the turbine and is arranged immediately before the multi-stage compression module.
  • the compression module is designed to gradually increase the pressure of the air, so that the biased flow at the thrust nozzle is expelled into the atmosphere at high speed as a cold air jet and a vehicle after it
  • Compression and expansion modules provided two shafts, the fan of a low-pressure expansion module and the
  • a steam or gas turbine has at least one multi-stage expansion module, which is designed to be charged with high pressure and high temperature
  • Fluid machine makes it possible to use a predetermined speed to achieve less energy consumption. Conversely, this means that with a steam turbine in a sequence of high, medium and low pressure expansion modules at a particular one
  • Turbomachines and jet engines a right-turning cycle in which heat is converted into work.
  • the embodiments can also have a left-turning process, in which, in the case of a heat pump with the supply of work, heat from one
  • an embodiment of a heat pump consists of an electrically driven compression module, in which the housing and the tail unit and possibly also the drive are designed as a heat exchanger through which media flows and which transfers the compression heat to a heat transfer fluid carried in a separate circuit.
  • the suction force caused by the impeller blades of the impellers adds up to a resulting suction at the flow inlet of the turbine, which draws in air from the heat transfer medium.
  • the housing and the tail unit and possibly also the drive are designed as a heat exchanger through which media flows and which transfers the compression heat to a heat transfer fluid carried in a separate circuit.
  • Heat transfer fluid flowing through the housing, the tail unit and possibly also the drive, the heat pumped by the heat pump can be used, e.g. heating a building,
  • a cooling turbine is constructed accordingly, e.g. is designed to be a lounge
  • the excess room air heat is first drawn in and compressed by an electrically driven compression stage, which increases the pressure and temperature of the air drawn in.
  • the tail unit and the drive are designed as heat exchangers and flow through the heat transfer fluid of a separate refrigeration circuit, the heat can be very high, for example in the refrigeration circuit which provides for a phase change of the heat transfer fluid
  • Expansion module cooled further in order to then be fed back into the room as cool supply air.
  • Cooling turbine a vacuum cleaner that circulates the room air
  • Room air conditioning circuit also described for cooling a traction battery or an internal combustion engine.
  • Another application for a preferred cooling turbine is heat recovery from exhaust gas by means of a compression module which is designed as a heat exchanger and is driven by the hot exhaust gas itself.
  • suction effect together with the driving effect of a race wing can also be used advantageously for the operation of a fan, a fan and generally a fan.
  • a preferred turbine suction device is in
  • Fig. 1 shows a stage of the expansion module of a steam turbine with cross sections of the impeller blades of the impeller and with Representation of the forces caused by flow dynamics in the perspective overview
  • Fig. 2 shows a stage of the expansion module of a steam turbine with cross sections of the guide ring vanes of the stator
  • FIG. 3 shows a low-pressure expansion module of a steam turbine with guide and rotor blades in a schematic longitudinal section
  • Fig. 6 shows a stage of the expansion module of a gas turbine with cross sections of the guide ring vanes of the stator
  • Fig. 7 shows a stage of the compression module of a gas turbine with cross sections of the guide ring vanes of the stator
  • FIG. 8 shows the longitudinal section of an electrically or thermodynamically driven compression module with guide and raceway blades in a schematic longitudinal section
  • Fig. 9 shows a stage of the compression module of a gas turbine with cross sections of the tandem airfoil on the guide ring vanes of the stator and the asymmetrical airfoil on the
  • FIG. 10 the longitudinal section of an electrically or thermodynamically driven compression module with tandem wing profiles on the Guide ring wings and asymmetrical wing profiles on the
  • Fig. 12 shows a thermodynamic turbofan engine
  • Fig. 14 shows an inflow jet engine in schematic
  • FIG. 16 a perspective view of a turbine suction device
  • FIG. 17 the electrically driven compression module of the
  • FIG. 19 the sheathed flow engine of FIG. 18 in a schematic longitudinal section
  • FIGS. 18 and 19 show an aircraft 174 with two turbofan engines, the structure of which is that shown in FIGS. 18 and 19
  • the stator 10 shows a stage, formed by a stator 10 and an impeller 11, of a multi-stage expansion module 15 of a turbomachine 16, which is designed as a steam turbine 160.
  • the stator 10 consists of one of a plurality of
  • Guide vane formed in 100 which is rigidly connected to the housing 101, while the impeller 11 has a plurality of turbine blades 111, which are connected on the shaft 110 side with an unspecified ring and at its outer end with a rotor blade 2 and through the steam can be driven.
  • the guide vanes 100 are also called radial guide vanes in 100, although they are not necessarily strictly radial.
  • the turbine blades 111 are also referred to as radial turbine blades 100, although they do not necessarily run strictly radially.
  • Two further race wing 2 divide the impeller 11 into three fields.
  • the race wing 2 are annular.
  • Pressure side is on the inside of the race wing 2, with outside and inside with regard to the orientation of the
  • Race wing 2 is meant relative to the axis of rotation x.
  • the wing profile 22 of the race wing 2 can also as
  • Race wing profile 22 are referred to. At a
  • asymmetrical wing profile 22 can also be easily from
  • convex suction side and concave pressure side are likewise clear to the person skilled in the art, for example the pressure side in the exemplary embodiment in the area of the wing nose n likewise being convex in some areas, but at least in some areas also being concave.
  • the wing nose n of the asymmetrical wing profile 22 is for
  • the raceway wing 2 has a comparison with the cone angle ⁇ x of the resulting inflow C flatter pitch angle d of about 15 degrees to windward
  • the buoyancy D engages the circular pressure point line q and causes a propulsive force E in the inclination plane N, which is in a plane in the rotation plane R.
  • Thrust L is effective.
  • the suction H acts radially to the axis of rotation x.
  • FIG. 2 also shows a stage of the expansion module 15 of a steam turbine 160.
  • the stator 10 in this exemplary embodiment has three guide ring vanes 20 which are arranged concentrically to the axis of rotation x and which are connected to the three rotor vanes 2 of the impeller 11
  • the guide ring wings 20 are annular
  • the guide ring vanes 20 have an asymmetrical wing profile 21 with a convex suction side, a concave pressure side, and one oriented towards the flow inlet 102
  • Expansion module 15 aligned wing trailing edge e.
  • the wing profile 21 of the guide ring wing 20 can also as
  • Guide ring wing profile 21 are referred to. While the
  • Suction sides or convex suction sides of the guide ring wings 20 are oriented towards the axis of rotation x, are the convex
  • multi-stage expansion module 15 is relaxing flow S, 3, with a cone angle ⁇ x directed away from the axis of rotation x.
  • the flow S receives a swirl, which it also from the
  • Driving force E is the cone angle ⁇ x of the resulting
  • the inclination angle d is inclined with respect to the axis of rotation x, which, with an incline of approximately 18 degrees, is flatter than the cone angle ⁇ x of the resulting inflow C itself.
  • the radial turbine blades 111 of the impeller 11 are designed as twisted blade profiles and with one of the blade roots to the blade tip continuously flattening angle of attack with respect to the plane of rotation R inclined.
  • FIG. 3 shows a cascade of three stages of the expansion module 15 of a turbomachine 16, each of which is formed from a stator 10 and an impeller 11 and which is designed as a steam turbine 160.
  • the arrangement of the guide ring vanes 20 and the race ring vanes 2 of a step corresponds to that shown in FIG. 2
  • the race wing 2 is a functional unit which is designed to increase the cone angle ⁇ x of the resulting flow C of the race wing 2.
  • the chords p des Asymmetrical wing profile 22 of the raceway wing 2 have a flatter pitch angle d with respect to the axis of rotation x than the chords p of the asymmetrical wing profile 21 of the guide ring wing 20.
  • FIG. 4 shows a stage of the expansion module 15 of a steam turbine 160 formed by a stator 10 and an impeller 11, in which the guide ring wing 20 has a tandem wing profile 210 composed of two asymmetrical wing profiles 21. A section of the tandem wing profile 210 is shown in FIG. 10.
  • the tandem wing profile 210 of the guide ring wing 20 has the task of imparting a maximum swirl to the flow S, so that the asymmetrical wing profile 22 of the race ring wing 2, as shown in FIG Tandem wing profiles 210 of the stator 10 and the asymmetrical wing profile 22 of the
  • Impeller 11 each have different pitch angles d with respect to the axis of rotation x.
  • the detail section shows the pitch angle d of the fluid dynamically effective
  • FIG. 5 shows the impeller 11 of a steam turbine 160, in which a plurality of radial turbine blades 111 of the impeller 11 with a total of three are concentric about the axis of rotation x
  • the impeller 11 is constructed from two semicircular segments which are connected to one another in the plane of rotation R by the springs 211 of a tongue-and-groove connection.
  • the springs 211 are rigidly connected to one half of the impeller 11 by means of wedges or screw connections, while a sliding connection is established with the second half of the impeller 11.
  • 6 shows a stage of the expansion module 15 of a turbomachine 16, which stage is formed by a stator wheel 10 and an impeller 11 and is designed as a gas turbine 161.
  • the arranged guide ring wings 20 form a vane grille.
  • the three guide ring vanes 20 influence the resulting flow C of the three assigned race ring vanes 2 of the impeller 11 adjoining the guide wheel 10 downstream, in that the flow S receives a swirl away from the axis of rotation x.
  • resulting flow C flows against the race ring wing 2 in the inclination plane N with a cone angle ⁇ x and is composed of the flow velocity A and the circulation velocity B.
  • the lift D caused by the asymmetrical wing profile 22 is inclined in the direction of rotation T of the impeller 11 towards windward.
  • the suction H and the propulsive force E are derived from the buoyancy D in the inclination plane N.
  • Driving force E as tangential driving force F.
  • the second component of acts parallel to the axis of rotation x
  • Propulsion force E as a suction force G directed towards the flow inlet 102.
  • the propulsion force E is counteracted by the resistance J, which is divided in the rotation plane R into the rotation resistance K and parallel to the rotation axis x into the thrust force L.
  • FIG. 7 shows a stage of the compression module 13 formed by a stator 10 and an impeller 11
  • Turbomachine 16 which is designed as a gas turbine 161.
  • the guide wheel 10 consists of a plurality of radial guide vanes 100 which together with three guide ring vanes 20 arranged concentrically around the axis of rotation x
  • the three guide ring vanes 20 influence the resulting inflow C of three race ring vanes 2 of the impeller 11 adjoining the guide wheel 10 downstream, in that the flow S receives a swirl away from the axis of rotation x.
  • the forces A to L caused by the flow ring dynamically in terms of flow correspond to the exemplary embodiment explained in FIG. 6.
  • the concave side of the radial turbine blades 111 in the direction of rotation T of the impeller 11 is on the compression module 13
  • a total of three race blades 2 are each non-positively connected to the radial turbine blades 111 of the
  • Impeller 11 connected, wherein on the asymmetrical wing profile 22 of the race wing 2 a tongue and groove connection between the radial turbine blades 111 is provided, so that the replacement of a single radial
  • Turbine blade 111 or a plurality of turbine blades 111
  • the spring 211 has a fixed and a floating bearing on each joint, so that a radial one can be exchanged
  • Turbine blade 111 the fixed bearing can be released and the spring 211 can be pushed back into a recess of the race wing 2 to the radial turbine blade 111 parallel to the
  • Guide wheels 10 each have three rigid guide ring wings 20 with an asymmetrical wing profile 21, the chord p of which has a pitch angle d of approximately 20 degrees in the direction of the Flow inlet 102 is inclined toward the axis of rotation x, the suction side of the asymmetrical airfoil 21 being aligned with the shaft 110.
  • the impeller 11 each has three concentric to the axis of rotation x rotating rotor blades 2 with asymmetrical wing profiles 22, the chords p with a pitch angle d of about 7 degrees in the direction of
  • Flow inlets 102 are inclined towards the axis of rotation x, the suction sides of the asymmetrical wing profiles 22 being on the outside facing the housing 101. Together with the radial guide vanes 100, the guide ring vanes 20 form a vane grille that is designed to direct the flow S onto the impeller 11. On the impeller 11 form the
  • the race wing 2 together with the radial turbine blades 111 is complementary to the vane grille of the stator 10
  • Turbine blade grille which is designed to convert the kinetic energy of the flow S into a rotational movement with direction of rotation T.
  • Profile chords p of the race wing 2 acts on the asymmetrical wing profiles 22 of the race wing 2 as an angle of attack in relation to the resulting flow C, so that the
  • Race wing 2 deliver a maximum lift D, from which, as also shown in FIG. 7, the tangential driving force F and a windward suction force G are derived.
  • Turbomachine 16 using the example of a gas turbine 161, in which, in contrast to the exemplary embodiment shown in FIG. 7, the three guide ring vanes 20 of the guide wheel 10
  • tandem wing profile 210 As also shown in FIG. 10, the tandem wing profile 210 of the guide ring wing 20 influences the cone angle ⁇ x of the resulting inflow C des
  • Race wing 2 The vector representation of the forces AL on a section of the race wing 2 shows the cone angle ⁇ x the resulting inflow C as a vector sum of the flow velocity A and the rotational speed B of the impeller 11.
  • the diagonal overflow of the impeller blade 2 causes an inclination in the direction of rotation T of the impeller 11
  • Buoyancy D from which the tangential driving force F and the suction force G oriented towards the flow inlet 102 are derived.
  • thermodynamically or electrically driven turbine 1 the overflow of the tandem wing profiles 210 of the guide wheels 10 and the asymmetrical wing profiles 22 of the impellers 11.
  • Tandem wing profile 210 consists of two each other
  • chords p of the race wing 2 are with a
  • the flow S is again regularly aligned parallel to the axis of rotation x on the rotor blades 2 of the impellers 11, so that the forces caused by the flow dynamics on the tandem wing profiles 210 largely cancel each other out.
  • the flow inlet 102 has a thrust stage 12 formed by an impeller 11 and a stator 10, to which several successive steps in the direction of the flow S.
  • the combustion chambers 14 act as a drive for the impeller 11 through the thermodynamic process (combustion).
  • the impeller 11 of the thrust stage 12 consists of a plurality of radial turbine blades 111, which act as a fan 112 and are connected at their outer end to a rotor blade 2.
  • a fan is usually a front engine stage with comparatively large blades.
  • the acceleration of the flow S through the radial turbine blades 111 is accompanied by an abrupt pressure drop in the plane of rotation R, so that the flow velocity A and the
  • Circular velocity B, resulting flow C has a cone angle ⁇ x inclined to the axis of rotation x.
  • the suction side of the race wing 2 is therefore on the inside of the asymmetrical wing profile 22.
  • the resulting flow C in the inclination plane N causes a lift D inclined in the direction of rotation T, which can be divided into the propulsive force E and the suction H.
  • a component of the driving force E acts in the plane of rotation R as
  • Exemplary embodiments shown in FIGS. 6 to 10 also have the compression modules 13 adjoining the thrust stage 12 and those adjoining the combustion chamber 14
  • Expansion module 15 each have a plurality of raceway wings 2, which also each have a rotary and suction effect.
  • Fig. 12 shows a turbine jet engine 17 as
  • FIG. 13 shows the structure of a turbine jet engine 17, which is designed as a propane engine 171, in one schematic longitudinal section.
  • the fan 112 formed by an impeller 11 and a stator 10 at the flow inlet 102 is followed by the multi-stage compression module 13, the combustion chamber 4_, the multi-stage expansion module 15 and a thrust stage 12 am formed by a stator 10 and an impeller Flow outlet 103 of two
  • Flow outlet 103 connected to the impeller 11 of the thrust stage 12, and the radial turbine blades 111 of the thrust stage 12 have an impeller blade 2 at their outer end.
  • the pressure drop in the plane of rotation of the impeller 11, as explained in FIG. 11, causes the resulting flow C
  • Race wing 2 with a cone angle ⁇ x Race wing 2 with a cone angle ⁇ x.
  • FIG. 14 shows the structure of a turbine jet engine 17, which is designed as an inflow jet engine 173, in a schematic longitudinal section.
  • the first stage formed by a fan 112 and a stator 10 at the flow inlet 102 is followed by the multi-stage compression module 13, the combustion chamber 4_ and the multi-stage expansion module 15 at the flow outlet 103 of the housing 101 of the turbine 1.
  • Turbine blades 111 of the impellers 11 of the compression module 13 and of the expansion module 15 are each connected at the outer end to a raceway wing 2, the suction side of the asymmetrical wing profile 22 on the compression module 13 facing the axis of rotation x and on the expansion module 15 facing the housing 101. As shown in Fig. 11, that for the
  • Effectiveness of the race wing 2 required cone angle ⁇ x on the race wing 2 of the impellers 11 at the flow inlet 102 by the pressure drop of the flow S in the plane of rotation R of the fan 112 and in the further course of the flow S in the
  • Compression module 13 through the outer flow guide surface 105 of the housing 101, and on the expansion module 15 through the
  • FIG. 15 shows a turbine jet engine 17 as a shaft turbine 172 in a schematic longitudinal section with a compression module 13 at the flow inlet 102 and one
  • the function and arrangement of the raceway ring 2 correspond to that explained in FIG. 12
  • FIG. 16 shows a turbine suction device 19 for commercial or domestic use. As shown in Fig. 17, the high one
  • Compression module 13 the suction hose 190 and the
  • the drive 18 is, for example, an electric motor or a thermodynamic drive,
  • Compression module 13 in which a plurality of stages, each formed by a stator 10 and an impeller 11, are arranged one behind the other in the direction of the flow S.
  • the suction effect of the turbine is based on that described in FIG. 8
  • a flow-through e.g. formed by a paper sack
  • Collection container 191 arranged, while at the flow outlet 103, the housing 101 is connected to the shaft and the electric motor ljJ. 18 shows a turbine 1 with a turbine jet engine 17, which is designed as an electrically driven turbofan engine 170. At the flow inlet 102 of the turbine, an impeller 11 designed as a fan 112 is provided, the radial turbine blades 111 of which have an outer end
  • Race wing 2 are connected downstream of the fan 112, the flow S divides into an outer on the housing 101 with a two-shell construction and on the stator 10 following the impeller 11
  • Sheath flow and an internal flow that flows through the compression module 13 constructed in several stages.
  • One stage of the compression module 13 in each case consists of a stator 10 with guide ring vanes 20 and an impeller 11 with race ring vanes 2 and essentially corresponds to the exemplary embodiment explained in more detail in FIG. 8.
  • the electric motor 18 drives this
  • a separate shaft (not visible in the view) is provided for driving the thrust stage 12 formed by the fan 112 and the stator 10.
  • the cone angle ⁇ x of the resulting flow C of the race wing 2 causes a lift D inclined in the direction of rotation T and upward, which is divided in the plane of inclination N into a propulsive force E and a suction H directed towards the axis of rotation x.
  • the plane of rotation R drives the tangential
  • FIG. 19 shows the turbofan engine 170 driven by an electric motor ljj or another drive ljj according to FIG. 18 in a schematic sectional view along the axis of rotation x.
  • the radial turbine blades 111 of the fan 112 accelerate the flow S, so that the sudden drop in pressure in the plane of rotation R causes the flow S as shown
  • Pressure drop in the flow tube causes, as in FIG. 18 shown, the cone angle ⁇ x of the resulting inflow C, the tangential driving force F in the plane of rotation R on the raceway ring 2 and parallel to the axis of rotation x
  • the compression module 13 consists of a cascade-like sequence of a total of four stages, each of which is formed by stator wheels 10 and impellers 11, the stator wheels 10 being shown in FIG. 8
  • Turbines 1 is driven, which are designed as turbine jet engines 17 and each have a turbofan engine 170, that shown in FIGS. 18 and 19
  • Embodiment corresponds.

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Abstract

Eine Turbine (1) hat ein Gehäuse (101) und ein im Gehäuse (102) angeordnetes mehrstufig aufgebautes Modul (13, 15), welches Modul (13, 15) ein Laufwerk und ein Leitwerk aufweist, welches Leitwerk eine Mehrzahl von starr mit dem Gehäuse (101) verbundenen Leiträdern (10) mit Leitschaufeln (100) aufweist, welches Laufwerk eine um eine Rotationsachse (x) rotierende Welle (110) und eine Mehrzahl von Laufrädern (11) mit Turbinenschaufeln (111) aufweist, welche Laufräder (11) und welche Leiträder (10) zumindest teilweise mindestens einen konzentrisch zu der Rotationsachse (x) angeordneten Laufringflügel (2) bzw. Leitringflügel (20) aufweisen, welcher Laufringflügel bzw. Leitringflügel ein asymmetrisches Lauf-, Leitringflügelprofil (22) mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist, wobei die Saugseiten des Leitringflügels (20) und des Laufringflügels (2) jeweils entgegengesetzt zueinander auf der Außenseite oder der Innenseite des Leitringflügels (20) oder des Laufringflügels (20,2) angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Kaskadenturbine
Die Erfindung betrifft eine Turbine mit einem Leitwerk und einem Laufwerk, deren Gehäuse zwischen dem Strömungseinlass und dem Strömungsauslass mindestens ein mehrstufiges Verdichtungsmodul und/oder mindestens ein mehrstufiges Expansionsmodul aufnimmt. Das Leitwerk der Turbine besteht aus mehreren, jeweils mit einem Abstand zueinander angeordneten und starr mit dem Gehäuse verbundenen Leiträdern, während das Laufwerk aus einer Kaskade mehrerer, zwischen den Leiträdern in einer Rotationsebene laufender und durch eine gemeinsame Welle untereinander
verbundener Laufräder besteht, wobei eine einzelne Stufe des mehrstufigen Verdichtungs- und des mehrstufigen Expansionsmoduls von einem Leitrad und einem Laufrad gebildet wird. Die Laufräder der Turbine weisen jeweils mindestens einen Laufringflügel mit einer konvexen Saug- und einer konkaven Druckseite auf, der in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene von einer aus der
Strömungsgeschwindigkeit, aus der Umlaufgeschwindigkeit des Laufrads und aus einem in der Rotationsebene vorhandenen
Konuswinkel der Strömung gebildeten resultierenden Anströmung angeströmt wird und in der Neigungsebene ein asymmetrisches Flügelprofil hat.
Eine Ausführungsform betrifft Strömungsmaschinen, die dazu ausgebildet sind, die innere Energie eines kompressiblen Fluids in eine Rotationsleistung an der Welle der Turbine zu wandeln. Eine bevorzugte Dampfmaschine besteht z.B. aus mehreren
Expansionsmodulen, die als Hoch-, Mittel- und Niederdruck- Expansionsmodule ausgebildet sind. Ausführungsformen betreffen auch Gasturbinen für die Stromerzeugung und Turbinen
strahltriebwerke für Flugzeuge, wie z. B. ein
Mantelstromtriebwerk, bei dem das Hochdruck-Verdichtungsmodul von einem Hochdruck-Expansionsmodul und der Fan von einem Niederdruck- Expansionsmodul jeweils mit einer separaten Welle angetrieben werden. Die Turbine kann aber auch als Wärmepumpe oder als
Kühlturbine ausgebildet werden, bei denen das Verdichtungsmodul mit einem Wärmeübertrager verbunden ist. Besondere Aufmerksamkeit wird bei den Ausführungsformen elektrischen Turbinen
strahltriebwerken geschenkt, bei denen das antreibende
Expansionsmodul durch einen Elektromotor ersetzt ist und das Strahltriebwerk eine Schubstufe hat, die als Niederdruck- Verdichtungsmodul arbeitet. Weitere Anwendungen des Niederdruck- Verdichtungsmoduls betreffen allgemein einen Lüfter oder ein Gebläse und auch einen Ventilator in Verbindung mit einem Gerät, z.B. für den Luftaustausch in einem Raum oder für die thermische Konditionierung eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs und auch in Verbindung mit einem Turbinensauger.
Stand der Technik
Große Turbinen gehören als Strömungsmaschinen zu den
leistungsfähigsten Maschinen überhaupt. Aus der Verstromung von Kohle und Atomenergie sind Strömungsmaschinen als Dampfturbinen mit einer nutzbaren mechanischen Leistung von bis zu 1,5 Gigawatt bekannt. Die im Jahr 1888 von Carl Gustaf Patrik de Laval
vorgestellte Dampfturbine hatte bereits einen Wirkungsgrad von 30%. Der Wirkungsgrad aktueller Hochdruckdampfturbinen erreicht fast 50% - mehr nicht. Im Sinne einer jederzeit verfügbaren
Energieversorgung besteht heute ein Bedarf an Gasturbinen, die in Kraftwerken temporär immer dann eingesetzt werden, wenn die
Energie aus Sonne und Wind nicht zur Verfügung steht. Mit einer Kombination von Gas- und Dampfturbine ist ein elektrischer
Wirkungsgrad von bis zu 60% erreichbar. Die Angaben zum
Wirkungsgrad sind jeweils auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems bezogen und betreffen den thermodynamischen Prozess und die
Turbine selbst. Für sich betrachtet erreicht eine Stufe einer Gas oder Dampfturbine einen Wirkungsgrad von 90%. Turbinen
strahltriebwerke bilden mit ihrer hohen Leistung, ihrer Schubkraft und ihrer Zuverlässigkeit das Rückgrat des weltweiten
Flugverkehrs. Dabei sind unterschiedliche Bauformen für Turbinen strahltriebwerke bekannt, wie z.B. ein Mantelstromtriebwerk, ein Turboprop-Fantriebwerk, ein Turboprop-Strahltriebwerk, eine
Wellenturbine oder ein Einstrom-Strahltriebwerk. Eine
doppelreihige Anordnung der radialen Leitschaufeln eines
Verdichtungsmoduls ist als sog. Tandem-Schaufel für den
Axialverdichter eines Flugzeugtriebwerks bekannt. Diese Tandem- Schaufeln bewirken eine maximale Umlenkung der Strömung an einem Leitrad des Verdichtungsmoduls, ohne dass es zu unerwünschten Strömungsablösungen innerhalb einer Kaskade von Leit- und
Laufrädern kommt. Alternative Antriebe für den Flugverkehr sind notwendig, um den Eintrag schädlicher Treibhausgase in die
Atmosphäre zu vermeiden. Ein Strahltriebwerk besteht in
Strömungsrichtung aus einem zur Strömung ausgerichteten
Lufteinlass mit einem Fan als Niederdruckstufe des mehrstufigen Verdichtungsmoduls, mit sich daran anschließenden, jeweils von einem Leit- und einem Laufrad gebildeten höher verdichtenden Stufen, auf die mehrere Brennkammern und das eigentliche
Expansionsmodul folgen. Eine Schubdüse am Strömungsauslass des Gehäuses ist dazu ausgebildet, den heißen Luft- und Abgasstrahl in die umgebende Luft auszustoßen. Dem Rückstoßprinzip entsprechend wirkt die das Flugzeug antreibende Schubkraft in Flugrichtung. Bei einem Turbinen-Strahltriebwerk wird im Unterschied zu einem
Propeller, der eine große Luftmasse mäßig beschleunigt, eine vergleichsweise geringe Luftmasse sehr stark beschleunigt. Deshalb ist es wünschenswert, die von einem Turbinen-Strahltriebwerk erfasste Luftmasse zu vergrößern. Bei hohen Geschwindigkeiten in großen Flughöhen ist ein Turbinen-Strahltriebwerk sehr effizient. Bei geringen Geschwindigkeiten sind Triebwerke mit Propeller- Antrieb effizienter. Bei Mantelstromtriebwerken mit einem Fan wird durch den Mantelstrom zusätzliche Antriebsenergie für die
Schubentwicklung zur Verfügung gestellt. Bei einem
Mantelstromtriebwerk, bei dem der Fan einen wesentlich größeren Durchmesser hat als das Verdichtungsmodul, besitzt der Fan eine eigene Welle, um einerseits die Fliehkräfte an seinen
Turbinenschaufeln zu begrenzen und andererseits
Überschallgeschwindigkeiten an den Blattspitzen der
Turbinenschaufeln zu vermeiden. Der Fan befindet sich deshalb auf einer eigenen Welle, die von dem Niederdruck-Expansionsmodul angetrieben wird. Am Ausgang der Verdichtungsstufe strömt die durch Kompressionswärme erhitzte Luft in die Brennkammer. Durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs ist das Triebwerk hohen Temperaturen von bis zu 2200 °C ausgesetzt und benötigt deshalb eine aufwändige Kühlung. Im Sinne eines thermodynamischen Kreisprozesses sind die Ausführungsformen der Strömungsmaschinen und Turbinen- Strahltriebwerke rechtsdrehend und betreffen
Prozesse, bei denen Wärme in Arbeit umgewandelt wird. Eine
Ausführungsform betrifft jedoch auch eine Wärmepumpe und eine Kühlturbine, die im Sinne eines linksdrehenden Kreisprozesses unter Aufwendung von Arbeit Wärme von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau fördert und als Wärmepumpe bzw. als Kältemaschine ausgebildet ist.
Aus der CH 509 502 geht eine Regelvorrichtung für Dampfturbinen, die aus mehreren Expansionsmodulen für Hoch-, Mittel- und
Niederdruck bestehen, hervor.
Aus der CH 700 013 Bl geht ein Laufrad (Diaphragma) für eine Dampfturbine hervor, bei der die radialen Turbinenschaufeln (Rotorblätter) jeweils an ihrem inneren und äußeren Ende mit einem Ring verbunden sind, um die strukturelle Integrität des Laufrads zu verbessern.
Aus der DE 102 57 044 Al geht ein Leitschaufeigitter für eine Gasturbine hervor, bei dem die Wölbung der einzelnen
Leitschaufein zur Optimierung der Strömung unabhängig
voneinander einstellbar ist. Aus der DE 198 58 702 B4 gehen ein Verfahren zum Verbinden von Schaufelteilen einer Gasturbine sowie die Schaufel und der Rotor einer Gasturbine hervor.
Aus der DE 10 2014 206 216 B4 geht ein Verdichtungsgitter für einen Axialverdichter hervor, bei dem die radialen Leitschaufein doppelreihig angeordnet sind und in Strömungsrichtung eine vordere und eine hintere Schaufel haben, wobei sich die
Schaufeln gegenseitig überdecken.
Aus der US 2009/0047132 Al geht eine Anordnung von radialen Rotorblättern mit einer Saug- und einer Druckseite hervor, die durch einen konzentrisch zu der Rotationsachse angeordneten Kragen untereinander verbunden sind.
Aus der EP 2 743 453 Al geht eine Anordnung von Rotorblättern für eine Turbine hervor, die jeweils eine Flügelnase und eine Flügelhinterkante haben und untereinander durch abkragende, sich verjüngende Verbindungsstücke in tangentialer Richtung verbunden werden, sodass ein die Rotorblätter eines Laufrads verbindender Kragen mit einem tropfenförmigen Profil gebildet wird.
Aus der EP 3 187 688 Al geht ein radiales Rotorblatt mit einer konvexen Saugseite und einer konkaven Druckseite für eine
Gasturbine hervor. Zwischen der Blattwurzel und der
Rotorblattspitze sind jeweils zwei von dem Rotorblatt abkragende Flügel vorgesehen, die auf der konvexen Saugseite als Saugflügel und auf der konkaven Druckseite als Druckflügel bezeichnet werden, wobei an zwei einander benachbarten Rotorblättern eine Schnittstelle gebildet wird. Diese Kragflügel bilden an einem Laufrad der Turbine untereinander einen stabilisierenden Kragen, der im Betrieb der Turbine eine Torsionsverformung der einzelnen Rotorblätter verhindern soll und außerdem den Austausch eines einzelnen Rotorblatts des Laufrads ermöglicht. Der in
Strömungsrichtung jeweils vorgelagerte Flügel ist dicker
ausgebildet als der in Strömungsrichtung nachgelagerte Flügel, sodass eine Stufe gebildet wird und die Schnittstelle zwischen den Flügeln im Windschatten der Strömung liegt. Aufgabenstellung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine neue Turbine bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Eine Turbine hat ein Gehäuse und ein im Gehäuse angeordnetes mehrstufig aufgebautes Modul, welches Modul ein Laufwerk und ein Leitwerk aufweist, welches Gehäuse einen Strömungseinlass und einen Strömungsauslass aufweist und für die Führung eines zwischen dem Strömungseinlass und Strömungsauslass strömenden Fluids ausgebildet ist, welches Leitwerk eine Mehrzahl von starr mit dem Gehäuse verbundenen Leiträdern mit Leitschaufein
aufweist, welches Laufwerk eine um eine Rotationsachse
rotierende Welle und eine Mehrzahl von Laufrädern mit
Turbinenschaufeln aufweist, welche Laufräder in einer
zugeordneten Rotationsebene antreibbar sind und zumindest teilweise zwischen den Leiträdern angeordnet sind, wobei jeweils ein Leitrad und ein Laufrad eine Stufe des mehrstufig
aufgebauten Moduls bilden, welche Laufräder zumindest teilweise mindestens einen konzentrisch zu der Rotationsachse angeordneten Laufringflügel aufweisen, welcher Laufringflügel ein
asymmetrisches Laufringflügelprofil mit einer Saugseite, einer Druckseite, einer zum Strömungseinlass des Gehäuses orientierten Flügelnase und einer zum Strömungsauslass des Gehäuses
orientierten Flügelhinterkante aufweist, welche Leiträder zumindest teilweise mindestens einen konzentrisch zu der
Rotationsachse angeordneten, Leitringflügel aufweisen, welcher Leitringflügel ein asymmetrisches Leitringflügelprofil mit einer Saugseite und einer Druckseite aufweist, welcher Leitringflügel mindestens einem Laufringflügel des Laufrads in Richtung der Strömung mit einem Steigungswinkel gegenüber der Rotationsachse vorangestellt ist, wobei die Saugseiten des Leitringflügels und des Laufringflügels jeweils entgegengesetzt zueinander auf der Außenseite oder der Innenseite des Leitringflügels oder des Laufringflügels angeordnet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Modul als
Verdichtungsmodul oder Expansionsmodul ausgebildet. Es ist in Abhängigkeit vom Anwendungsfall für eine Verdichtung (z.B. bei einer Dampfturbine) oder für eine Expansion (z.B. hinter einer Brennkammer) einsetzbar.
Bevorzugt hat die Turbine einen thermodynamischen oder
elektrischen Antrieb und ist aus mindestens einem mehrstufigen Verdichtungsmodul und/oder aus mindestens einem mehrstufigen Expansionsmodul aufgebaut. Die Laufräder wirken
strömungsdynamisch als Auftriebsläufer, sodass der Wirkungsgrad der Turbine erheblich verbessert werden kann. Bevorzugt wird ein über die radialen Turbinenschaufeln mit der Welle verbundener Laufringflügel für das Laufrad einer Turbine in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten
Neigungsebene so angeströmt, dass in der Rotationsebene eine aus dem dynamisch bewirkten Auftrieb des Laufringflügels
resultierende, in Drehrichtung des Laufrads wirkende tangentiale Antriebskraft und parallel zu der Rotationsachse eine am
Strömungseinlass des Gehäuses wirkende Saugkraft gebildet werden. Bevorzugt wirkt ein Profil für den Laufringflügel in der mit einem definierten Neigungswinkel gegenüber der
Rotationsebene geneigten Neigungsebene strömungsdynamisch als Auftriebsläufer und weist ein asymmetrisches Flügelprofil auf.
Weitere Aufgaben und vorteilhafte Eigenschaften gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung hat zumindest teilweise die folgenden Vorteile: - Aktivierung von dynamischem Auftrieb an den Laufringflügeln der Laufräder des Laufwerks einer Turbine
- Bereitstellung einer aus dem dynamischen Auftrieb einer
Vielzahl von Laufringflügeln des Laufwerks resultierenden tangentialen Antriebskraft, die eine Rotationsleistung an der Welle einer mehrstufig aufgebauten Turbine bewirkt
- Bereitstellung einer aus dem dynamischen Auftrieb einer
Vielzahl von Laufringflügeln des Laufwerks resultierenden Saugkraft am Strömungseinlass der mehrstufig aufgebauten
Turbine
- Angabe eines von mehreren Leitringflügeln und einer
Mehrzahl/Vielzahl von radialen Leitschaufein gebildeten
Profilgitters
- Angabe eines Leitrads mit mindestens einem Leitringflügel, der strömungsdynamisch mit dem Laufringflügel des Laufrads
zusammenwirkt
- Angabe eines biege-, schub- und torsionssteifen
Schaufelgitters für ein Leitrad des Leitwerks und eines biege- , schub- und torsionssteifen Turbinenschaufelgitters für ein Laufrad des Laufwerks einer Turbine
- Angabe eines Laufrads mit mindestens einem Laufringflügel für eine niedrige Reynolds-Zahl im subsonischen Bereich
- Angabe eines von mehreren Laufringflügeln und einer
Mehrzahl/Vielzahl von radialen Turbinenschaufeln gebildeten Turbinenschaufelgitters
- Angabe einer Verbindungstechnik für einen Kreissektor eines Laufrads des Laufwerks der Turbine, die die Auswechslung einer einzelnen radialen Turbinenschaufel ermöglicht
- Vermeidung der Wirbelbildung und Wirbelablösung an den Enden der radialen Turbinenschaufeln
- Angabe einer leisen Turbine mit vergleichsweise sehr geringer Geräuschentwicklung
- Verbesserung des Wirkungsgrads eines thermodynamischen
Luftstrahltriebwerks für Luftfahrzeuge um bis zu 25% - Angabe eines elektrisch angetriebenen Turbinen
strahltriebwerks
- Angabe eines elektrisch angetriebenen Niederdruck- Verdichtungsmoduls für einen Turbinensauger
- Angabe eines Lüfters mit einem elektrisch angetriebenen
Niederdruck-Verdichtungsmodul
- Angabe einer elektrisch angetriebenen Kühlturbine, bei der das Verdichtungsmodul und das Expansionsmodul eine Kühlfunktion haben
- Angabe einer elektrisch angetriebenen Kühlturbine mit
Verdichtungs- und Expansionsmodul zur Luftkühlung der
Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs
- Angabe einer Wärmepumpe zur Förderung von Wärme aus der
Umgebungsluft
Das Leitwerk der Turbine
Das Gehäuse der Turbine nimmt mindestens ein mehrstufiges
Verdichtungsmodul und/oder mindestens ein mehrstufiges
Expansions-modul auf, welche Module jeweils von einer inneren und einer äußeren, rotationssymmetrisch ausgebildeten
Strömungsleitfläche begrenzt werden. An einem mehrstufigen
Verdichtungsmodul verengt sich der Querschnitt des Gehäuses in Strömungsrichtung, wobei der Konuswinkel der Strömung entweder von den Strömungsleitflächen und/oder von den Leitringflügeln des Leitwerks der Turbine vorgegeben wird. An dem mehrstufigen Verdichtungsmodul sind die konvexen Seiten der radialen
Leitschaufein und die konvexen Seiten der radialen
Turbinenschaufeln jeweils gegen die Drehrichtung der Laufräder orientiert. An dem mehrstufigen Expansionsmodul dagegen sind die konvexen Seiten der radialen Leitschaufein gegen die
Drehrichtung der Laufräder und die konvexen Seiten der radialen Turbinenschaufeln in Drehrichtung der Laufräder orientiert. An dem mehrstufigen Expansionsmodul bildet sich der Konuswinkel strömungsdynamisch bei ansteigendem Druck und abnehmender Geschwindigkeit eines strömenden Fluids von selbst aus, wobei sich der Querschnitt des Gehäuses in Strömungsrichtung mit einem Konuswinkel erweitert. In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsvariante der Erfindung weist das dem Laufrad in
Strömungsrichtung vorangestellte Leitrad mindestens einen
Leitringflügel mit einem asymmetrischen Flügelprofil auf. Der Leitringflügel ist entweder einteilig oder zweiteilig
ausgebildet und verleiht dem in dem Gehäuse strömenden Fluid den Konuswinkel für die resultierende Anströmung des nachfolgenden Laufringflügels . Ein zweiteiliger Leitringflügel hat ein
Tandemflügelprofil aus zwei hintereinander angeordneten und sich gegenseitig überlappenden asymmetrischen Flügelprofilen, jeweils mit einer bzgl. der Rotationachse geneigten Profilsehne, die den Konuswinkel für die resultierende Anströmung des stromab
angeordneten Laufringflügels vorgibt. Die Profilsehnen der
Leitringflügel sind steiler geneigt als die Profilsehnen der Laufringflügel . An dem Leitschaufeigitter des Leitrads entsteht eine Düsenströmung, die mit dem Nachlauf des
Turbinenschaufelgitters des Laufrads interagiert, sodass eine beschleunigte Strömung die Anströmung der Laufringflügel des Laufrads mit einem maximalen Konuswinkel ermöglicht. Die innere und die äußere Strömungsleitfläche des Gehäuses können in diesem Fall parallel zueinander angeordnet werden. Mit der Überströmung des Laufringflügels wird die Strömung an jeder Stufe eines mehrstufigen Verdichtungs- oder Expansionsmoduls wieder parallel zu der Rotationsachse ausgerichtet, sodass sich die aus der Überströmung des stromab folgenden Leitringflügels
resultierenden Kräfte gegenseitig aufheben. An einer
Verdichtungsstufe und an einer Expansionsstufe wechselt die konvexe Saugseite an dem Leitringflügel und an dem
Laufringflügel jeweils von der der Rotationsachse zugewandten Innenseite auf die der Rotationsachse abgewandte Außenseite oder umgekehrt von der Außenseite auf die Innenseite. Das Laufwerk der Turbine
Die radialen Leitschaufein der Leiträder geben den
Neigungswinkel für die aus der Strömungsgeschwindigkeit, aus der Umlaufgeschwindigkeit und aus dem Konuswinkel resultierende Anströmung der Laufringflügel in der gegenüber der
Rotationsebene mit einem Neigungswinkel geneigten Neigungsebene vor. Dabei sind die radialen Leitschaufein des Leitrads und die radialen Turbinenschaufeln des Laufrads jeweils als in sich verwundene asymmetrische Flügelprofile ausgebildet, deren
Anstellwinkel gegenüber der Rotationsebene von ihrem der Welle zugekehrten Ende zu ihrem äußeren Ende hin jeweils
kontinuierlich abnimmt. Die radialen Turbinenschaufeln und die Laufringflügel durchdringen einander so dass die Flügelnasen der Turbinenschaufeln und die Flügelnasen der Laufringflügel möglichst in einer Ebene liegen. Das Laufwerk des mehrstufigen Verdichtungsmoduls und des mehrstufigen Expansionsmoduls besteht jeweils aus einer Kaskade von Laufrädern. Ein einzelner und mehrere Laufringflügel eines Laufrads, die in der Rotationsebene mit einer Mehrzahl von radialen Turbinenschaufeln verbunden sind, haben jeweils ein Ringprofil, das in dem Querschnitt entlang der Rotationsachse und senkrecht zu der Rotationsebene so ausgebildet ist, dass der Schrägschnitt des Laufringflügels in einer mit einem Neigungswinkel gegenüber der Rotationsebene geneigten Neigungsebene ein strömungsdynamisch wirksames, asymmetrisches Flügelprofil aufweist. In der Rotationsebene des Laufrads weisen die radialen Turbinenschaufeln einen von der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit abhängigen Anstellwinkel auf, dessen Betrag vom wellenseitigen zum äußeren Ende der radialen Turbinenschaufeln hin abnimmt. Die radialen Turbinenschaufeln eines Laufrads sind in der Rotationsebene entweder mit nur einem einzelnen Laufringflügel kraftschlüssig verbunden oder das Laufrad weist eine Mehrzahl konzentrisch zueinander angeordneter Laufringflügel auf, die in der Rotationsebene jeweils mit den radialen Turbinenschaufeln verbunden sind. Der Laufringflügel hat eine leicht nach Luv geneigte, sich zwischen der Flügelnase und der Flügelhinterkante erstreckende Profilsehne sowie eine kreisförmig ausgebildete Druckpunktlinie und wird über seinen gesamten Umfang von der resultierenden Anströmung angeströmt, sodass der Laufringflügel in der Neigungsebene einen senkrecht zu der resultierenden Anströmung an der kreisförmigen
Druckpunktlinie angreifenden dynamischen Auftrieb erzeugt.
Während der gesamte Ringflügel eine kreisförmig ausgebildete Druckpunktlinie hat, ist bei Betrachtung des jeweiligen
Flügelprofils ein Druckpunkt vorhanden. Der Druckpunkt eines Körpers in der Strömung befindet sich dort, wo sich alle
wirksamen Strömungskräfte zusammenfassen lassen, und in Bezug auf den Druckpunkt wirkt kein Drehmoment.
Strömungs dynamisch bewirkte Kräfte
In der Neigungsebene teilt sich der dynamische Auftrieb des Laufringflügels in die senkrecht zu der Rotationsachse wirkende Sogkraft und in den Widerstand sowie in die Vortriebskraft, die ihrerseits in eine in der Rotationsebene in Drehrichtung des Laufringflügels wirkende und an der Welle ein Drehmoment
erzeugende, tangentiale Antriebskraft und in eine der Strömung entgegenwirkende Saugkraft aufteilbar ist, wobei der
tangentialen Antriebskraft in der Rotationsebene der
Rotationswiderstand und der senkrecht zu der Rotationsebene wirkenden Saugkraft die Schubkraft entgegenwirkt. Während die tangentiale Antriebskraft ein Drehmoment an der Welle erzeugt, sodass eine vorgegebene Drehzahl mit weniger Energieaufwand erreicht wird, addiert sich die Saugkraft einer Vielzahl, jeweils aus einem Leit- und einem Laufrad bestehender Stufen des Verdichtungs- und /oder des Expansionsmoduls zu der am
Strömungseinlass des Gehäuses wirkenden Saugkraft der Turbine. Die Antriebsleistung einer Strömungsmaschine oder eine Turbinen strahltriebwerks kann deshalb um bis zu 25% reduziert werden. Herstellung, Montage und Wartung der Turbine
Das Laufrad einer elektrisch angetriebenen Turbine kann aus einem Stück aus Kunststoff in einem Spritzgussverfahren oder aus Metall in einem Druckgussverfahren hergestellt werden. Thermisch beanspruchte Laufräder einer Turbine bestehen aus speziellen Metalllegierungen und können z.B. aus einer strömungszugewandten und einer strömungsabgewandten Hälfte, die untereinander
verschweißt werden, aufgebaut werden. Ein Laufrad einer
thermodynamisch angetriebenen Turbine kann aber auch aus
radialen Segmenten bestehen, wobei eine obere und eine untere Hälfte des Laufrads Wartung und Reparatur des Laufrads
erleichtern, indem das Leitwerk von dem Turbinenschaft abgehoben werden kann. Um den Austausch einer einzelnen radialen
Turbinenschaufel zu erleichtern, hat der Laufringflügel jeweils eine Fuge mit einer Ausnehmung für die Aufnahme einer Feder zur Herstellung einer Nut-und-Feder-Verbindung zwischen zwei
benachbarten Turbinenschaufeln. Für den Austausch einer
einzelnen Turbinenschaufel werden die Schraubverbindungen der linken und rechten Feder mit dem Laufringflügel gelöst, wobei die Federn vollständig in die Ausnehmung des Hohlkammerprofils geschoben werden, um die Turbinenschaufel aus den Nuten der Welle herausschieben zu können. In der Arbeitsstellung ist die Feder kraftschlüssig mit dem Laufringflügelsegment einer ersten Turbinenschaufel verbunden und ragt zur Hälfte in das
anschließende Laufringflügelsegment einer zweiten
Turbinenschaufel hinein, sodass die Verbindung einander
benachbarter Turbinenschaufeln jeweils ein Fest- und ein
Gleitlager aufweisen. Ein Laufrad, bei dem die Flügelnasen und die Flügelhinterkanten der radialen Turbinenschaufeln und der Laufringflügel jeweils in einer Ebene liegen, bildet eine biege- , schub- und torsionssteife Scheibe, die sich durch hohe
Stabilität und geringes Gewicht auszeichnet. Die Scheibe kann an einem Stück oder, wie beschrieben, aus einer Mehrzahl
untereinander verbundener Kreissektoren hergestellt werden. Zum Auswechseln eines Laufrads kann eine genutete Welle vorgesehen sein, die in Richtung der Rotationsachse aus dem Laufwerk herausgeschoben wird. Zwischen der Welle und einer einzelnen Turbinenschaufel kann eine hinterschnittene Verbindung
vorgesehen sein.
Turbinen- S trahl tr iebwerke
Bei einem thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen
Turbinen-Strahltriebwerk bildet am Strömungseinlass des Gehäuses ein Laufrad zusammen mit dem sich stromab anschließenden Leitrad die erste Stufe eines mehrstufigen Verdichtungsmoduls. Die radialen Turbinenschaufeln des Laufrads sind an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel verbunden, dessen konvexe
Saugseite zur Rotationsachse orientiert ist. Bei einem
thermodynamischen Turbinen-Strahltriebwerk schließt sich in Richtung der Strömung mindestens eine Brennkammer sowie
mindestens ein mehrstufiges Expansionsmodul mit einer Schubdüse als Strömungsauslass an das mehrstufige Verdichtungsmodul an.
Das Turbinen-Strahltriebwerk ist entweder als ein
Mantelstromtriebwerk oder als ein Propfan-Triebwerk oder als eine Wellenturbine oder als ein Turboprop-Triebwerk oder als ein Einstrom-Strahltriebwerk ausgebildet .
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante eines
Turbinen-Strahltriebwerks besteht das Gehäuse der Turbine aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten Schalen und weist entweder am Strömungseinlass oder am Strömungsauslass eine von einem Leit- und einem Laufrad gebildete Schubstufe auf. Bei einem Mantelstromtriebwerk ist die Schubstufe am
Strömungseinlass des Gehäuses unmittelbar vor dem mehrstufigen Verdichtungsmodul, und bei einem Propfan-Triebwerk ist die
Schubstufe unmittelbar hinter dem Expansionsmodul am
Strömungsauslass des Gehäuses angeordnet. Das als Fan
ausgebildete Laufrad am Strömungseinlass des Gehäuses bildet zusammen mit dem stromab folgenden Leitrad die erste Stufe des Verdichtungsmoduls eines Turbinen-Strahltriebwerks , das von einer Brennkammer und einem mehrstufigen Expansionsmodul
thermodynamisch angetrieben wird. Die hohe Drehzahl des Fans beschleunigt die anströmende Luft und bewirkt in der
Rotationsebene einen schlagartigen Druckabfall in der Strömung, sodass sich der Konuswinkel für die Anströmung des
Laufringflügels strömungsdynamisch einstellt. An einem
elektrisch angetriebenen Mantelstromtriebwerk bildet die
Schubstufe den Strömungseinlass der Turbine und ist unmittelbar vor dem mehrstufig aufgebauten Verdichtungsmodul angeordnet. Das Verdichtungsmodul ist dazu ausgebildet, den Druck der Luft stufenweise zu erhöhen, sodass die vorgespannte Strömung an der Schubdüse als kalter Luftstrahl mit hoher Geschwindigkeit in die Atmosphäre ausgestoßen wird und ein Fahrzeug nach dem
Rückstoßprinzip beschleunigt. Bei einem Mantelstrom- und bei einem Propfan-Triebwerk sind aufgrund der unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten des Fans und der Laufräder der
Verdichtungs- und Expansionsmodule zwei Wellen vorgesehen, wobei der Fan von einem Niederdruck-Expansionsmodul und das
Verdichtungsmodul von einem Hochdruck-Expansionsmodul
angetrieben werden.
S tr ömungsmas chinen
Eine Dampf- oder Gasturbine weist mindestens ein mehrstufig aufgebautes Expansionsmodul auf, das dazu ausgebildet ist, ein mit hohem Druck und hoher Temperatur beaufschlagtes
Arbeitsmedium zwischen dem Strömungseinlass und dem
Strömungsauslass des Gehäuses der Turbine in mehreren, jeweils von einem Leitrad und einem Laufrad gebildeten Stufen zu
entspannen und die dabei gewonnene Rotationsleistung an der Welle der Turbine z.B. für den Antrieb eines Generators zur Verfügung zu stellen. Die rotative Wirkung der Laufringflügel an einer Mehrzahl von Laufrädern des Laufwerks der
Strömungsmaschine ermöglicht es, eine vorgegebene Drehzahl mit weniger Energieaufwand zu erreichen. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei einer Dampfturbine in einer Abfolge von Hoch-, Mittel und Niederdruck- Expansionsmodulen bei einer bestimmten
Dampftemperatur und einem bestimmten Dampfdruck aus dem
Entspannungsprozess mehr Energie gewonnen werden kann. Bei einer Gasturbine wird eine vorgegebene Leistung entsprechend mit weniger Brennstoff erreicht. Thermodynamisch beschreiben
Strömungsmaschinen und Turbinen-Strahltriebwerke einen rechts drehenden Kreisprozess, bei dem Wärme in Arbeit umgewandelt wird .
Wärmepumpen und Kühlturbinen
Thermodynamisch betrachtet können die Ausführungsformen aber auch einen linksdrehenden Prozess aufweisen, bei dem im Falle einer Wärmepumpe unter Zufuhr von Arbeit Wärme von einem
niedrigeren Niveau auf ein höheres Niveau gefördert wird.
Dementsprechend besteht eine Ausführungsform einer Wärmepumpe aus einem elektrisch angetriebenen Verdichtungsmodul, bei dem das Gehäuse und das Leitwerk und ggf. auch das Laufwerk als ein mediendurchströmter Wärmeübertrager ausgebildet sind, der die Kompressionswärme auf ein in einem separaten Kreislauf geführtes Wärmeträgerfluid überträgt. Die von den Laufringflügeln der Laufräder bewirkte Saugkraft addiert sich am Strömungseinlass der Turbine zu einem resultierenden Sog, der den Wärmeträger Luft ansaugt. In einem separaten Kältekreis, dessen
Wärmeträgerfluid das Gehäuse, das Leitwerk und ggf. auch das Laufwerk durchströmt, kann die von der Wärmepumpe geförderte Wärme einer Nutzung, z.B. der Beheizung eines Gebäudes,
zugeführt werden. Entsprechend ist eine Kühlturbine aufgebaut, die z.B. dazu ausgebildet ist, einen Aufenthaltsraum zu
temperieren. In einem geschlossenen Kreislauf wird zunächst die überschüssige Raumluftwärme von einer elektrisch angetriebenen Verdichtungsstufe angesaugt und verdichtet, wobei sich Druck und Temperatur der angesaugten Luft erhöhen. Da auch hier das Leitwerk und das Laufwerk als Wärmeübertrager ausgebildet sind und von dem Wärmeträgerfluid eines separaten Kältekreises durchströmt werden, kann die Wärme z.B. in dem Kältekreis, der einen Phasenwechsel des Wärmeträgerfluids vorsieht, sehr
effektiv aus dem Verdichtungsmodul abgeleitet werden, um
anschließend in dem auf derselben Antriebswelle liegenden
Expansionsmodul weiter abgekühlt, um dann dem Raum als kühle Zuluft wieder zugeführt zu werden. Bevorzugt bildet die
Kühlturbine einen Sauger, der die Umwälzung der Raumluft
antreibt. In modifizierter Form eignet sich der für die
Raumluftkonditionierung beschriebene Kreislauf auch für die Kühlung einer Traktionsbatterie oder eines Verbrennungsmotors. Eine weitere Anwendung für eine bevorzugte Kühlturbine besteht in der Wärmerückgewinnung aus Abgas durch ein Verdichtungsmodul, das als Wärmeübertrager ausgebildet ist und von dem heißen Abgas selbst angetrieben wird.
Lüfter und Turbinensauger
Die Saugwirkung zusammen mit der antreibenden Wirkung eines Laufringflügels kann mit Vorteil auch für den Betrieb eines Lüfters, eines Ventilators und allgemein eines Gebläses genutzt werden. Ein bevorzugter Turbinensauger besteht in
Strömungsrichtung aus einem dem Strömungseinlass des Gehäuses vorangestellten Saugschlauch mit einem durchströmten
Auffangbehälter sowie aus dem elektrisch angetriebenen
Niederdruck-Verdichtungsmodul und dem Strömungsauslass des
Gehäuses .
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten und Anwendungen der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Querschnitten der Laufringflügel des Laufrads und mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 2 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der
Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der
strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 3 ein Niederdruck-Expansionsmodul einer Dampfturbine mit Leit- und Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt,
Fig. 4 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Dampfturbine mit Tandemflügelprofilen der Leitringflügel des Leitrads in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 5 ein aus zwei Kreissektoren aufgebautes Laufrad in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 6 eine Stufe des Expansionsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der
Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der
strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 7 eine Stufe des Verdichtungsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Leitringflügel des Leitrads und der
Laufringflügel des Laufrads mit Darstellung der
strömungsdynamisch bewirkten Kräfte in der perspektivischen Übersicht,
Fig. 8 den Längsabschnitt einer elektrisch oder thermodynamisch angetriebenen Verdichtungsmoduls mit Leit- und Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt,
Fig. 9 eine Stufe des Verdichtungsmoduls einer Gasturbine mit Querschnitten der Tandemflügelprofile an den Leitringflügeln des Leitrads und der asymmetrischen Flügelprofile an den
Laufringflügeln des Laufrads in der perspektivischen Übersicht, Fig. 10 den Längsabschnitt eines elektrisch oder thermodynamisch angetriebenen Verdichtungsmoduls mit Tandemflügelprofilen an den Leitringflügeln und asymmetrischen Flügelprofilen an den
Laufringflügeln im schematischen Längsschnitt,
Fig. 11 ein thermodynamisches Turbinen-Strahltriebwerk mit
Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an dem
Laufringflügel des Fans in der Ausschnittsperspektive,
Fig. 12 ein thermodynamisches Mantelstromtriebwerk im
schematischen Längsschnitt,
Fig. 13 ein Propfan-Triebwerk im schematischen Längsschnitt,
Fig. 14 ein Einstromstrahltriebwerk im schematischen
Längsschnitt,
Fig. 15 eine Wellenturbine im schematischen Längsschnitt,
Fig. 16 einen Turbinensauger in der perspektivischen Übersicht, Fig. 17 das elektrisch angetriebene Verdichtungsmodul des
Turbinensaugers nach Fig. 16 in der Ausschnittsperspektive,
Fig. 18 ein elektrisches Mantelstromtriebwerk mit Darstellung der strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an dem Laufringflügel des Fans in der Ausschnittsperspektive,
Fig. 19 das Mantelstromtriebwerk nach Fig. 18 im schematischen Längsschnitt, und
Fig. 20 ein Flugzeug 174 mit zwei Mantelstromtriebwerken, die in ihrem Aufbau dem in Fig. 18 und Fig. 19 gezeigten
Ausführungsbeispiel entsprechen, in der perspektivischen
Übersicht .
Fig. 1 zeigt eine von einem Leitrad 10 und von einem Laufrad 11 gebildete Stufe eines mehrstufigen Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Dampfturbine 160 ausgebildet ist. Das Leitrad 10 besteht aus einem von einer Mehrzahl von
Leitschaufein 100 gebildeten Schaufelgitter, das mit dem Gehäuse 101 starr verbunden ist, während das Laufrad 11 eine Mehrzahl von Turbinenschaufeln 111 aufweist, die auf Seiten der Welle 110 mit einem nicht näher bezeichneten Ring und an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden sind und durch den Dampf antreibbar sind. Die Leitschaufein 100 werden auch als radiale Leitschaufein 100 bezeichnet, obwohl sie nicht zwingend streng radial verlaufen. Die Turbinenschaufeln 111 werden auch als radiale Turbinenschaufeln 100 bezeichnet, obwohl sie nicht zwingend streng radial verlaufen. Zwei weitere Laufringflügel 2 unterteilen das Laufrad 11 in drei Felder. Die Laufringflügel 2 sind ringförmig ausgebildet. Die drei konzentrisch zueinander und zu der Rotationsachse x angeordneten Laufringflügel 2 weisen in der mit dem Neigungswinkel ß gegenüber der Rotationsebene R geneigten Neigungsebene N, wie in dem Detailschnitt gezeigt, ein asymmetrisches Flügelprofil 22 auf, dessen konvexe Saugseite auf der Außenseite des Laufringflügels 2 und dessen konkave
Druckseite auf der Innenseite des Laufringflügels 2 liegt, wobei außen und innen im Hinblick auf die Orientierung des
Laufringflügels 2 relativ zur Rotationsachse x gemeint ist. Das Flügelprofil 22 des Laufringflügels 2 kann auch als
Laufringflügelprofil 22 bezeichnet werden. Bei einem
asymmetrischen Flügelprofil 22 kann man auch einfach von
Saugseite und Druckseite sprechen. Für den Fachmann ist der Begriff konvexe Saugseite und konkave Druckseite ebenfalls klar, wobei beispielsweise die Druckseite im Ausführungsbeispiel im Bereich der Flügelnase n ebenfalls bereichweise konvex ist, jedoch zumindest bereichsweise auch konkav ausgebildet ist. Die Flügelnase n des asymmetrischen Flügelprofils 22 ist zum
Strömungseinlass 102 und die Flügelhinterkante e zum
Strömungsauslass 103 des Expansionsmoduls 15 ausgerichtet. Die Dampfturbine 160 läuft im subsonischen Bereich, wobei der
Dampfdruck von Stufe zu Stufe abnimmt und sich die Strömung S innerhalb des Gehäuses 101 mit dem Konuswinkel <x ausdehnt. Aus der Strömungsgeschwindigkeit A, der Umlaufgeschwindigkeit B und aus dem Konuswinkel <x resultiert in der Neigungsebene N die Anströmung C des Laufringflügels 2. Die Profilsehne p des
Laufringflügels 2 ist, wie im Detailschnitt des asymmetrischen Flügelprofils 22 in der Neigungsebene N gezeigt, mit einem im Vergleich zu dem Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C flacheren Steigungswinkel d von etwa 15 Grad nach Luv zur
Rotationsachse x hin geneigt und deshalb mit einem Anstellwinkel zu der resultierenden Anströmung C ausgerichtet. Senkrecht zu der Anströmung C greift der Auftrieb D an der kreisförmigen Druckpunktlinie q an und bewirkt in der Neigungsebene N eine Vortriebskraft E, die sich in eine in der Rotationsebene R
wirksame tangentiale Antriebskraft F und in eine parallel zur Rotationsachse x in Richtung des Strömungseinlasses 102 des Expansionsmoduls 15 gerichtete Saugkraft G aufteilt. In der Neigungsebene N wirkt der Vortriebskraft E der Widerstand J entgegen, während in der Rotationsebene R der
Rotationswiderstand K und in Richtung der Strömung S die
Schubkraft L wirksam ist. Radial zur Rotationsachse x wirkt der Sog H .
Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Dampfturbine 160. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Stufe weist das Leitrad 10 bei diesem Ausführungsbeispiel drei konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Leitringflügel 20 auf, die mit den drei Laufringflügeln 2 des Laufrads 11
Zusammenwirken. Die Leitringflügel 20 sind ringförmig
ausgebildet. Die Leitringflügel 20 haben ein asymmetrisches Flügelprofil 21 mit einer konvexen Saugseite, einer konkaven Druckseite, einer zum Strömungseinlass 102 ausgerichteten
Flügelnase n und einer zum Strömungsauslass 103 des
Expansionsmoduls 15 ausgerichteten Flügelhinterkante e. Das Flügelprofil 21 des Leitringflügels 20 können auch als
Leitringflügelprofil 21 bezeichnet werden. Während die
Saugseiten bzw. konvexen Saugseiten der Leitringflügel 20 zur Rotationsachse x hin orientiert sind, sind die konvexen
Saugseiten der Laufringflügel 2 jeweils nach außen, zu dem
Gehäuse 101 hin orientiert. Die sich zwischen dem
Strömungseinlass 102 und dem Strömungsauslass 103 eines
mehrstufigen Expansionsmoduls 15 entspannende Strömung S wird, wie auch in Fig. 3 gezeigt, mit einem Konuswinkel <x von der Rotationsachse x weggelenkt. An den Leitringflügeln 20 erhält die Strömung S einen Drall, der sie ebenfalls von der
Rotationsachse x weglenkt und so den Konuswinkel <x der
resultierenden Anströmung C des Laufringflügels 2 erhöht. Für die in der Neigungsebene N aus dem Auftrieb D abgeleitete
Vortriebskraft E ist der Konuswinkel <x der resultierenden
Anströmung C von entscheidender Bedeutung und bewirkt in der Rotationsebene R die tangentiale Antriebskraft F und die
entgegen der Strömung S wirkende Saugkraft G. Wie der
Detailschnitt des asymmetrischen Flügelprofils 22 in der
Neigungsebene N zeigt, ist die Profilsehne p mit einem
Steigungswinkel d gegenüber der Rotationsachse x geneigt, der mit einer Steigung von etwa 18 Grad flacher ausgebildet ist als der Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C selbst. Die radialen Turbinenschaufeln 111 des Laufrads 11 sind als in sich verwundene Schaufelprofile ausgebildet und mit einem von der Blattwurzel zur Blattspitze kontinuierlich flacher werdenden Anstellwinkel gegenüber der Rotationsebene R geneigt.
Fig. 3 zeigt eine Kaskade von drei jeweils aus einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildeten Stufen des Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Dampfturbine 160 ausgebildet ist. Die Anordnung der Leitringflügel 20 und der Laufringflügel 2 einer Stufe entspricht dem in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel. Die konvexen Saugseiten der asymmetrischen Flügelprofile 21 der Leitringflügel 20 sind jeweils zur
Rotationsachse x hin orientiert, während die konvexen Saugseiten der Laufringflügel 2 zu dem sich in Richtung der Strömung S erweiternden Gehäuse 101 hin orientiert sind. Wie in Fig. 2 gezeigt, bilden jeweils ein Leitringflügel 20 und ein
Laufringflügel 2 eine funktionale Einheit, die dazu ausgebildet ist, den Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C des Laufringflügels 2 zu erhöhen. Die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 22 der Laufringflügel 2 weisen einen flacheren Steigungswinkel d gegenüber der Rotationsachse x auf als die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Leitringflügel 20.
Fig. 4 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Dampfturbine 160, bei der der Leitringflügel 20 ein Tandemflügelprofil 210 aus zwei asymmetrischen Flügelprofilen 21 aufweist. Ein Schnitt des Tandemflügelprofils 210 ist in Fig. 10 dargestellt. Das
Tandemflügelprofil 210 des Leitringflügels 20 hat die Aufgabe, der Strömung S einen maximalen Drall zu verleihen, sodass das asymmetrische Flügelprofil 22 des Laufringflügels 2, wie in Fig. 2 gezeigt, in der Neigungsebene N mit einem möglichst steilen Konuswinkel <x angeströmt wird, wobei die Tandemflügelprofile 210 des Leitrads 10 und das asymmetrische Flügelprofil 22 des
Laufrads 11 jeweils unterschiedliche Steigungswinkel d gegenüber der Rotationsachse x aufweisen. Der Detailschnitt zeigt den Steigungswinkel d des strömungsdynamisch wirksamen
asymmetrischen Flügelprofils 22 in der Neigungsebene N.
Fig. 5 zeigt das Laufrad 11 einer Dampfturbine 160, bei dem sich ein Vielzahl von radialen Turbinenschaufeln 111 des Laufrads 11 mit insgesamt drei konzentrisch um die Rotationsachse x
angeordneten Laufringflügeln 2 durchdringen und ein biege-, schub- und torsionssteifes Turbinenschaufelgitter bilden. Das Laufrad 11 ist aus zwei halbkreisförmigen Segmenten aufgebaut, die in der Rotationsebene R untereinander durch die Federn 211 einer Nut-und-Feder-Verbindung verbunden werden. Durch Keil oder Schraubverbindungen sind die Federn 211 mit einer Hälfte des Laufrads 11 starr verbunden, während mit der zweiten Hälfte des Laufrads 11 eine gleitende Verbindung hergestellt wird. Fig. 6 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Expansionsmoduls 15 einer Strömungsmaschine 16, die als Gasturbine 161 ausgebildet ist. Das Leitrad 10
besteht aus einer Vielzahl von radialen Leitschaufein 100, die zusammen mit den drei konzentrisch um die Rotationsachse x
angeordneten Leitringflügeln 20 ein Schaufelgitter bilden. Die drei Leitringflügel 20 beeinflussen die resultierende Anströmung C der drei zugeordneten Laufringflügel 2 des sich stromab an das Leitrad 10 anschließenden Laufrads 11, indem die Strömung S einen Drall von der Rotationsachse x weg erhält. Die
resultierende Anströmung C strömt den Laufringflügel 2 in der Neigungsebene N mit einem Konuswinkel <x an und setzt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B zusammen. Der von dem asymmetrischen Flügelprofil 22 bewirkte Auftrieb D ist in Drehrichtung T des Laufrads 11 nach Luv geneigt. Aus dem Auftrieb D leiten sich in der Neigungsebene N der Sog H und die Vortriebskraft E ab. In der Rotationsebene R wirkt an der Druckpunktlinie q eine Komponente der
Vortriebskraft E als tangentiale Antriebskraft F. Parallel zu der Rotationsachse x wirkt die zweite Komponente der
Vortriebskraft E als eine zum Strömungseinlass 102 gerichtete Saugkraft G. In der Neigungsebene N wirkt der Vortriebskraft E der Widerstand J entgegen, der sich in der Rotationsebene R entsprechend in den Rotationswiderstand K und parallel zu der Rotationsachse x in die Schubkraft L aufteilt. Die Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 22 der Laufringflügel 2
weisen, wie auch in Fig. 8 gezeigt, einen Steigungswinkel d gegenüber der Rotationsachse x auf, der flacher ausgebildet ist als der Steigungswinkel d der Profilsehnen p des asymmetrischen Flügelprofils 21 der Leitringflügel 20.
Fig. 7 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einen Laufrad 11 gebildete Stufe des Verdichtungsmoduls 13 einer
Strömungsmaschine 16, die als Gasturbine 161 ausgebildet ist. Das Leitrad 10 besteht aus einer Vielzahl von radialen Leitschaufein 100, die zusammen mit drei konzentrisch um die Rotationsachse x angeordneten Leitringflügeln 20 ein
Schaufelgitter bilden. Die drei Leitringflügel 20 beeinflussen die resultierende Anströmung C von drei Laufringflügeln 2 des sich stromab an das Leitrad 10 anschließenden Laufrads 11, indem die Strömung S einen Drall von der Rotationsachse x weg erhält. Die von dem Laufringflügel strömungsdynamisch bewirkten Kräfte A bis L entsprechen dem in Fig. 6 erläuterten Ausführungsbeispiel. An dem Verdichtungsmodul 13 ist die konkave Seite der radialen Turbinenschaufeln 111 in Drehrichtung T des Laufrads 11
ausgerichtet. Insgesamt drei Laufringflügel 2 sind jeweils kraftschlüssig mit den radialen Turbinenschaufeln 111 des
Laufrads 11 verbunden, wobei an dem asymmetrischen Flügelprofil 22 der Laufringflügel 2 jeweils eine Nut- und Federverbindung zwischen den radialen Turbinenschaufeln 111 vorgesehen ist, sodass die Auswechslung einer einzelnen radialen
Turbinenschaufel 111 oder mehrerer Turbinenschaufeln 111
ermöglicht wird. An jeder Fuge weist die Feder 211 ein Fest- und ein Loslager auf, sodass für den Austausch einer radialen
Turbinenschaufel 111 das Festlager gelöst und die Feder 211 in eine Ausnehmung des Laufringflügels 2 zurück geschoben werden kann, um die radiale Turbinenschaufel 111 parallel zu der
Rotationsachse x aus einer Nut an der Wurzel der radialen
Turbinenschaufel 111 herausschieben zu können.
Fig. 8 zeigt am Beispiel eines schematischen Längsschnitts durch zwei Stufen des Verdichtungsmoduls 13 einer thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen Turbine 1 die Überströmung der
asymmetrischen Flügelprofile 21, 22 der Leiträder 10 und der Laufräder 11. Die starr mit dem Gehäuse 101 verbundenen
Leiträder 10 weisen jeweils drei starre Leitringflügel 20 mit einem asymmetrischen Flügelprofil 21 auf, deren Profilsehne p mit einem Steigungswinkel d von ca. 20 Grad in Richtung des Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt ist, wobei die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 21 zur Welle 110 ausgerichtet ist. Das Laufrad 11 weist jeweils drei konzentrisch zur Rotationsachse x rotierende Laufringflügel 2 mit asymmetrischen Flügelprofilen 22 auf, deren Profilsehnen p mit einem Steigungswinkel d von ca. 7 Grad in Richtung des
Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt sind, wobei die Saugseiten der asymmetrischen Flügelprofile 22 auf der dem Gehäuse 101 zugewandten Außenseite liegen. Zusammen mit den radialen Leitschaufein 100 bilden die Leitringflügel 20 ein Schaufelgitter, das dazu ausgebildet ist, die Strömung S auf das Laufrad 11 zu leiten. An dem Laufrad 11 bilden die
Laufringflügel 2 zusammen mit den radialen Turbinenschaufeln 111 ein zu dem Schaufelgitter des Leitrads 10 komplementäres
Turbinenschaufelgitter, das dazu ausgebildet ist, die kinetische Energie der Strömung S in eine Drehbewegung mit Drehrichtung T zu wandeln. Der im Betrag geringere Steigungswinkel d der
Profilsehnen p der Laufringflügel 2 wirkt an den asymmetrischen Flügelprofilen 22 der Laufringflügel 2 als Anstellwinkel in Bezug zu der resultierenden Anströmung C, sodass die
Laufringflügel 2 einen maximalen Auftrieb D liefern, aus dem sich, wie auch in Fig. 7 gezeigt, die tangentiale Antriebskraft F und eine luvseitige Saugkraft G ableiten.
Fig. 9 zeigt eine von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufe des Verdichtungsmoduls 13 einer
Strömungsmaschine 16 am Beispiel einer Gasturbine 161, bei der im Unterschied zu dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel die drei Leitringflügel 20 des Leitrads 10 ein
Tandemflügelprofil 210 aufweisen. Wie auch in Fig. 10 gezeigt, beeinflusst das Tandemflügelprofil 210 des Leitringflügels 20 den Konuswinkel <x der resultierende Anströmung C des
Laufringflügels 2. Die vektorielle Darstellung der Kräfte A-L an einem Ausschnitt des Laufringflügels 2 zeigt den Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C als Vektorsumme aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der Umlaufgeschwindigkeit B des Laufrads 11. Die diagonale Überströmung des Laufringflügels 2 bewirkt einen in Drehrichtung T des Laufrads 11 geneigten
Auftrieb D, aus dem sich die tangentiale Antriebskraft F und die zum Strömungseinlass 102 orientierte Saugkraft G ableiten.
Fig. 10 zeigt am Beispiel eines schematischen Längsschnitts durch zwei Stufen des Verdichtungsmoduls 13 einer
thermodynamisch oder elektrisch angetriebenen Turbine 1 die Überströmung der Tandemflügelprofile 210 der Leiträder 10 und der asymmetrischen Flügelprofile 22 der Laufräder 11. Das
Tandemflügelprofil 210 besteht aus zwei sich einander
übergreifenden asymmetrischen Flügelprofilen 21, die, wie auch in Fig. 9 gezeigt, einen maximalen Konuswinkel <x für die
resultierende Anströmung C des Laufringflügels 2 bewirken. Die Profilsehnen p der Laufringflügel 2 sind mit einem
Steigungswinkel d von ca. 12 Grad in Richtung des
Strömungseinlasses 102 zur Rotationsachse x hin geneigt, während die Profilsehnen p der asymmetrischen Flügelprofile 21 des Tandemflügelprofils 210 jeweils einen steileren Steigungswinkel d gegenüber der Rotationsachse x aufweisen. Die Strömung S wird an den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11 regelmäßig wieder parallel zu der Rotationsachse x ausgerichtet, sodass sich die strömungsdynamisch bewirkten Kräfte an den Tandemflügelprofilen 210 gegenseitig weitgehend aufheben.
Fig. 11 zeigt ein thermodynamisch angetriebenes Turbinen
strahltriebwerk 17, das als Mantelstromtriebwerk 170 ausgebildet ist. Der Strömungseinlass 102 weist eine von einem Laufrad 11 und einem Leitrad 10 gebildete Schubstufe 12 auf, an die sich in Richtung der Strömung S mehrere aufeinanderfolgende
Verdichtungsmodule 13, mehreren Brennkammern und mindestens ein Expansionsmodul 15 am Strömungsauslass 103 des Gehäuses 101 der Turbine 1 anschließen. Die Brennkammern 14 wirken durch den thermodynamischen Prozess (Verbrennung) als Antrieb für das Laufrad 11. Das Laufrad 11 der Schubstufe 12 besteht aus einer Mehrzahl radialer Turbinenschaufeln 111, die als Fan 112 wirken und an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden sind. Ein Fan ist üblicherweise eine vordere Triebwerksstufe mit vergleichsweise großen Schaufelblättern. Die Beschleunigung der Strömung S durch die radialen Turbinenschaufeln 111 geht in der Rotationsebene R mit einem schlagartigen Druckabfall einher, sodass die aus der Strömungsgeschwindigkeit A und der
Umlaufgeschwindigkeit B gebildete resultierende Anströmung C einen zur Rotationsachse x geneigten Konuswinkel <x aufweist. Die Saugseite des Laufringflügels 2 liegt deshalb auf der Innenseite des asymmetrischen Flügelprofils 22. An dem Laufringflügel 2 bewirkt die resultierende Anströmung C in der Neigungsebene N einen in Drehrichtung T geneigten Auftrieb D, der sich in die Vortriebskraft E und den Sog H aufteilen lässt. Eine Komponente der Vortriebskraft E wirkt in der Rotationsebene R als
tangentiale Antriebskraft F, während die zweite Komponente der Vortriebskraft E als Saugkraft G entgegen der Richtung der
Strömung S in Flugrichtung wirkt. Wie in den vorangehenden
Ausführungsbeispielen in Fig. 6 bis Fig. 10 gezeigt, weisen auch die sich an die Schubstufe 12 anschließenden Verdichtungsmodule 13 und das sich an die Brennkammer 14 anschließende
Expansionsmodul 15 jeweils mehrere Laufringflügel 2 auf, die ebenfalls jeweils rotativ und saugend wirken.
Fig. 12 zeigt ein Turbinen-Strahltriebwerk 17 als
Mantelstromtriebwerk 170 in einem schematischen Längsschnitt, das dem in Fig. 11 erläuterten Ausführungsbeispiel weitgehend entspricht .
Fig. 13 zeigt den Aufbau eines Turbinen-Strahltriebwerks 17, das als Propfan-Triebwerk 171 ausgebildet ist, in einem schematischen Längsschnitt. In Richtung der Strömung S folgt auf den von einem Laufrad 11 und einem Leitrad 10 gebildeten Fan 112 am Strömungseinlass 102 das mehrstufige Verdichtungsmoduls 13, die Brennkammer 4_, das mehrstufige Expansionsmodul 15 sowie eine von einem Leitrad 10 und von einem Laufrad 11 gebildete Schubstufe 12 am Strömungsauslass 103 des aus zwei
konzentrischen Schalen aufgebauten Gehäuses 101 der Turbine 1. Die Welle des Propfan-Triebwerks 171 ist stromab des
Strömungsauslasses 103 mit dem Laufrad 11 der Schubstufe 12 verbunden, und die radiale Turbinenschaufeln 111 der Schubstufe 12 weisen an ihrem äußeren Ende einen Laufringflügel 2 auf. Der Druckabfall in der Rotationsebene des Laufrads 11 bewirkt, wie in Fig. 11 erläutert, die resultierende Anströmung C des
Laufringflügels 2 mit einem Konuswinkel <x.
Fig. 14 zeigt den Aufbau eines Turbinen-Strahltriebwerks 17, das als Einstromstrahltriebwerk 173 ausgebildet ist, in einem schematischen Längsschnitt. In Richtung der Strömung S folgt auf die von einem Fan 112 und einem Leitrad 10 gebildete erste Stufe am Strömungseinlass 102 das mehrstufige Verdichtungsmoduls 13, die Brennkammer 4_ und das mehrstufige Expansionsmodul 15 am Strömungsauslass 103 des Gehäuses 101 der Turbine 1. Die
Turbinenschaufeln 111 der Laufräder 11 des Verdichtungsmoduls 13 und des Expansionsmoduls 15 sind jeweils am äußeren Ende mit einem Laufringflügel 2 verbunden, wobei die Saugseite des asymmetrischen Flügelprofils 22 an dem Verdichtungsmodul 13 der Rotationsachse x und an dem Expansionsmodul 15 dem Gehäuse 101 zugewandt ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, wird der für die
Wirksamkeit der Laufringflügel 2 erforderliche Konuswinkel <x an den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11 am Strömungseinlass 102 durch den Druckabfall der Strömung S in der Rotationsebene R des Fans 112 und im weiteren Verlauf der Strömung S in dem
Verdichtungsmodul 13 durch die äußere Strömungsleitfläche 105 des Gehäuses 101, und an dem Expansionsmodul 15 durch den
Druckanstieg der Strömung S bewirkt.
Fig. 15 zeigt ein Turbinen-Strahltriebwerk 17 als Wellenturbine 172 in einem schematischen Längsschnitt mit Darstellung eines Verdichtungsmoduls 13 am Strömungseinlass 102 und eines
Expansionsmoduls 15 am Strömungsauslass 103 der Turbine 1 mit dazwischenliegender Brennkammer 1^. Funktion und Anordnung der Laufringtlügel 2 entsprechen dem in Fig. 12 erläuterten
Einstromstrahltriebwerk 174.
Fig. 16 zeigt einen Turbinensauger 19 für den gewerblichen oder häuslichen Gebrauch. Wie in Fig. 17 gezeigt, wird die hohe
Saugleistung des von einem Antrieb ljJ angetriebenen
Verdichtungsmoduls 13, dem der Saugschlauch 190 und der
durchströmte Auffangbehälter 191 vorangestellt sind, z.B. für die Gebäudereinigung genutzt. Der Antrieb 18 ist beispielsweise ein Elektromotor oder ein thermodynamischer Antrieb,
beispielsweise ein Verbrennungsmotor.
Fig. 17 zeigt das von dem Elektromotor ljJ angetriebene
Verdichtungsmodul 13, bei dem in Richtung der Strömung S mehrere jeweils von einem Leitrad 10 und einem Laufrad 11 gebildete Stufen hintereinander angeordnet sind. Die Saugwirkung der Turbine beruht auf dem in Fig. 8 beschriebenen
strömungsdynamischen Zusammenwirken der Leitringflügel 20 der Leiträder 10 mit den Laufringflügeln 2 der Laufräder 11. Bei dem Turbinensauger 19 ist am Strömungseinlass 102 der Turbine 1 ein durchströmter, z.B. von einem Papiersack gebildeter
Auffangbehälter 191 angeordnet, während am Strömungsauslass 103 das Gehäuse 101 mit der Welle und dem Elektromotor ljJ verbunden ist . Fig. 18 zeigt eine Turbine 1 mit einem Turbinen-Strahltriebwerk 17, das als elektrisch angetriebenes Mantelstromtriebwerk 170 ausgebildet ist. Am Strömungseinlass 102 der Turbine ist ein als Fan 112 ausgebildetes Laufrad 11 vorgesehen, dessen radiale Turbinenschaufeln 111 an ihrem äußeren Ende mit einem
Laufringflügel 2 verbunden sind. Stromab des Fans 112 teilt sich die Strömung S an dem zweischalig aufgebauten Gehäuse 101 und an dem auf das Laufrad 11 folgenden Leitrad 10 in eine äußere
Mantelströmung und eine Innenströmung, die das mehrstufig aufgebaute Verdichtungsmodul 13 durchströmt. Eine Stufe des Verdichtungsmoduls 13 besteht jeweils aus einem Leitrad 10 mit Leitringflügeln 20 und aus einem Laufrad 11 mit Laufringflügeln 2 und entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 8 näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Der Elektromotor 18 treibt das
Verdichtungsmodul 13 an. Eine - in der Ansicht nicht sichtbare - separate Welle ist für den Antrieb der von dem Fan 112 und dem Leitrad 10 gebildeten Schubstufe 12 vorgesehen. Wie im Detail gezeigt, bewirkt der Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C des Laufringflügels 2 einen in Drehrichtung T und nach Luv geneigten Auftrieb D, der sich in der Neigungsebene N in eine Vortriebskraft E und einen zur Rotationsachse x gerichteten Sog H teilt. In der Rotationsebene R treibt die tangentiale
Antriebskraft F den Fan 112 an, während parallel zu der
Rotationsachse x die Saugkraft G wirksam ist und für
zusätzlichen Schub an dem Turbinen-Strahltriebwerk 17 sorgt.
Fig. 19 zeigt das von einem Elektromotor ljj oder einem anderen Antrieb ljj angetriebene Mantelstromtriebwerk 170 nach Fig. 18 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Rotationsachse x. Die radialen Turbinenschaufeln 111 des Fans 112 beschleunigen die Strömung S, sodass der in der Rotationsebene R schlagartig eintretende Druckabfall die Strömung S, wie gezeigt, als
konvergente Strömung S zur Rotationsachse x hinlenkt. Der
Druckabfall in der Strömungsröhre bewirkt, wie in Fig. 18 gezeigt, den Konuswinkel <x der resultierenden Anströmung C, die in der Rotationsebene R an dem Laufringtlügel 2 die tangentiale Antriebskraft F und parallel zu der Rotationsachse x die
Saugkraft G erzeugt. Das Laufrad 11 und das nachfolgende Leitrad 10 bilden die Schubstufe 12 des elektrischen
Mantelstromtriebwerks 170, wobei sich die Strömung S in eine äußere Mantelströmung und in eine innere, das Verdichtungsmodul 13 durchquerende Teilströmung aufteilt. Das Verdichtungsmodul 13 besteht aus einer kaskadenartigen Abfolge von insgesamt vier Stufen, die jeweils von Leiträdern 10 und Laufrädern 11 gebildet werden, wobei, wie in Fig. 8 gezeigt, die Leiträder 10
konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Leitringflügel 20 und die Laufräder 11 konzentrisch zu der Rotationsachse x angeordnete Laufringflügel 2 aufweisen. Der Elektromotor ljj treibt jeweils eine Welle für die Schubstufe 12 und für das Verdichtungsmodul 13 an. Sowohl die äußere Mantelströmung als auch die verdichtete Innenströmung des elektrischen Turbinen strahltriebwerks 17 erzeugen Schub in Flugrichtung nach dem Rückstoßprinzip .
Fig. 20 zeigt ein Flugzeug 174, das von zwei elektrischen
Turbinen 1 angetrieben wird, die als Turbinen-Strahltriebwerke 17 ausgebildet sind und jeweils ein Mantelstromtriebwerk 170 aufweisen, das dem in Fig. 18 und Fig. 19 gezeigten
Ausführungsbeispiel entspricht.
Zur Wirkung der Turbine 1 wurden Vergleichsversuche
durchgeführt, wobei Messungen mit einem Vierblatt-Propeller mit und ohne Ringflügel durchgeführt wurden. Es wurde jeweils die Schubkraft über die Drehzahl gemessen. Die Schubkraft lag mit dem Ringflügel in Abhängigkeit von der Drehzahl zwischen 15 % und 28 % höher als ohne Ringflügel. Bezugs zeichenliste
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Claims

1
Patentansprüche
1. Turbine (1) mit einem Gehäuse (101) und einem im Gehäuse
(102) angeordneten mehrstufig aufgebauten Modul (13, 15), welches Modul (13, 15) ein Laufwerk und ein Leitwerk
aufweist,
welches Gehäuse (101) einen Strömungseinlass (102) und einen Strömungsauslass (103) aufweist und für die Führung eines zwischen dem Strömungseinlass (102) und Strömungsauslass
(103) strömenden Fluids ausgebildet ist,
welches Leitwerk eine Mehrzahl von starr mit dem Gehäuse (101) verbundenen Leiträdern (10) mit Leitschaufein (100) aufweist,
welches Laufwerk eine um eine Rotationsachse (x) rotierende Welle (110) und eine Mehrzahl von Laufrädern (11) mit
Turbinenschaufeln (111) aufweist, welche Laufräder (11) in einer zugeordneten Rotationsebene (R) antreibbar sind und zumindest teilweise zwischen den Leiträdern (10) angeordnet sind, wobei jeweils ein Leitrad (10) und ein Laufrad (11) eine Stufe des mehrstufig aufgebauten Moduls (13, 15) bilden, welche Laufräder (11) zumindest teilweise mindestens einen konzentrisch zu der Rotationsachse (x) angeordneten
Laufringflügel (2) aufweisen, welcher Laufringflügel (2) ein asymmetrisches Laufringflügelprofil (22) mit einer Saugseite, einer Druckseite, einer zum Strömungseinlass (102) des
Gehäuses (101) orientierten Flügelnase (n) und einer zum Strömungsauslass (103) des Gehäuses (101) orientierten
Flügelhinterkante (e) aufweist,
welche Leiträder (10) zumindest teilweise mindestens einen konzentrisch zu der Rotationsachse (x) angeordneten,
Leitringflügel (20) aufweisen, welcher Leitringflügel (20) ein asymmetrisches Leitringflügelprofil (21) mit einer
Saugseite und einer Druckseite aufweist, welcher
Leitringflügel (20) mindestens einem Laufringflügel (2) des 2
Laufrads (11) in Richtung der Strömung (S) mit einem
Steigungswinkel (d) gegenüber der Rotationsachse (x)
vorangestellt ist,
wobei die Saugseiten des Leitringflügels (20) und des
Laufringflügels (2) jeweils entgegengesetzt zueinander auf der Außenseite oder der Innenseite des Leitringflügels (20) oder des Laufringflügels (20,2) angeordnet sind.
2. Turbine nach Anspruch 1, bei welcher das Modul (13, 15) als Verdichtungsmodul (13) oder Expansionsmodul (15) ausgebildet ist .
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher das
Laufringflügelprofil (22) in einer mit einem Neigungswinkel (ß) gegenüber der Rotationsebene (R) geneigten Neigungsebene (N) vorgesehen ist und von dem in dem Gehäuse (101) strömenden Fluid mit einer aus der Strömungsgeschwindigkeit (A) und der
Umlaufgeschwindigkeit (B) des Laufrads (11) resultierenden
Anströmung (C) mit einem Konuswinkel (a) anströmbar ist, sodass am Laufringflügel (2) über den gesamten Umfang des Laufringflügels (2) eine aus dem dynamischen Auftrieb (D) abgeleitete, in
Drehrichtung (T) wirkende tangentiale Antriebskraft (F) und eine zum Strömungseinlass (102) der Turbine (1) gerichtete Saugkraft (G) erzeugt wird.
4. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher das Laufringflügelprofil (22) eine sich zwischen der Flügelnase (n) und der Flügelhinterkante (e) erstreckende und mit einem Steigungswinkel (d) gegenüber der Rotationsachse
(x) geneigte Profilsehne (p) hat und von einer aus der
Strömungsgeschwindigkeit (A) des Fluids, aus der
Umlaufgeschwindigkeit (B) des Laufrads (11) und aus dem in der Rotationsebene (R) vorhandenen Konuswinkel ( ) der
Strömung (S) gebildeten resultierenden Anströmung (C) angeströmt wird, wobei in der Neigungsebene (N) senkrecht zu 3 der resultierenden Anströmung (C) der dynamische Auftrieb (D) an einem zugeordneten Druckpunkt des Laufringflügelprofils (22) angreift, welcher Druckpunkt auf einer kreisförmigen Druckpunktlinie (q) des Laufringflügels (2) liegt.
5. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher in der Neigungsebene (N) aus dem dynamischen Auftrieb (D) des Laufringflügels (2) die Vortriebskraft (E) , der
Widerstand (J) und die Sogkraft (H) hervorgehen, welche
Vortriebskraft (E) in der Rotationsebene (R) die in
Drehrichtung (T) des Laufringflügels (2) wirkende und an der Welle (110) ein Drehmoment erzeugende tangentiale
Antriebskraft (F) und eine am Strömungseinlass (102) der Turbine (1) wirkende Saugkraft (G) aufweist, wobei der tangentialen Antriebskraft (F) in der Rotationsebene (R) der Rotationswiderstand (K) und der parallel zu der
Rotationsachse (x) am Strömungseinlass (102) wirkenden
Saugkraft (G) die Schubkraft (L) entgegenwirken.
6. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher das Laufrad (11) die Turbinenschaufeln (111) und einer Mehrzahl von konzentrisch zueinander angeordneten
Laufringflügeln (2) aufweist und als biege-, schub- und torsionssteife Scheibe ausgebildet ist.
7. Turbine (1) nach Anspruch 6, bei welcher die Scheibe
- entweder als ein Stück
- oder als eine aus einer Mehrzahl von Kreissektoren
zusammengesetzte Scheibe ausgebildet ist,
wobei bei der Ausbildung aus einer Mehrzahl von Kreissektoren ein Kreissektor mindestens aus einer Turbinenschaufel (111) und aus einem Ringsegment des Laufringflügels (2) besteht und die Ringsegmente untereinander durch die Federn (211) einer Nut- und Feder-Verbindung verbunden sind, um den Austausch 4 einer einzelnen Turbinenschaufel (111) zu ermöglichen.
8. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher das Leitrad (10) mindestens einen Leitringflügel (20) mit einem in der Neigungsebene (N) wirksamen
Leitringflügelprofil (21) aufweist, welcher Leitringflügel (20) dem mindestens einen Laufringflügel (2) des Laufrads
(II) in Richtung der Strömung (S) mit einem Steigungswinkel (d) gegenüber der Rotationsachse (x) vorangestellt ist, oder bei welcher Turbine (1) das Leitrad (10) eine Mehrzahl konzentrisch zu der Rotationsachse (x) angeordneter
Laufringflügel (2) aufweist, die in Richtung der Strömung (S) einer entsprechenden Mehrzahl von Laufringflügeln (2) des Laufrads (11) jeweils mit einem Steigungswinkel (d) gegenüber der Rotationsachse (x) vorangestellt sind, wobei ein
Leitringflügel (20) mit den Leitschaufein (100) des Leitrads (10) und ein Laufringflügel (2) mit den Turbinenschaufeln
(III) des Laufrads (11) verbunden ist.
9. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher der Leitringflügel (20) der Strömung (S) den
Konuswinkel ( ) für die resultierende Anströmung (C) des sich in Richtung der Strömung (S) an den Leitringflügel (20) anschließenden Laufringflügels (2) verleiht und der
Leitringflügel (20) entweder als ein einzelnes
Leitringflügelprofil (21) oder als ein Tandem- Leitringflügelprofil (210) ausgebildet ist, wobei die
Saugseiten des Leitringflügels (20) und des Laufringflügels (2) jeweils entgegengesetzt zueinander auf der Außenseite oder der Innenseite des Leit- oder des Laufringflügels (20,2) angeordnet sind und der Steigungswinkel (d) der Profilsehne (p) des Leitringflügelprofils (21) größer ist als der
Steigungswinkel (d) der Profilsehne (p) des 5
Laufringflügelprofils (22).
10. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher das Modul (13, 15) der Turbine (1) jeweils eine innere und eine äußere Strömungsleitflache (104,105)
aufweisen, die der Strömung (S) den Konuswinkel ( ) vorgeben, wobei sich im Falle einer Ausbildung des Moduls (13, 15) als Verdichtungsmodul (13) der Querschnitt der Strömung (S) verjüngt, und
wobei sich im Falle einer Ausbildung des Moduls (13, 15) als Expansionsmodul (15) der Querschnitt der Strömung (S)
erweitert .
11. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
welcher die Anstellwinkel der Leitschaufein (100) und der Turbinenschaufeln (111) gegenüber der Rotationsebene (R) von dem der Welle (110) zugekehrten Ende zu dem äußeren Ende hin kontinuierlich abnimmt und die Leit- und Turbinenschaufeln (100,111) jeweils als in sich verwundene Profile ausgebildet sind,
wobei im Falle der Ausbildung des Moduls (13, 15) als
mehrstufiges Verdichtungsmodul (13) die Saugseite der
Leitschaufein (100) und die Saugseite der Turbinenschaufeln (111) gegen die Drehrichtung (T) des Laufrads (11)
ausgerichtet sind, und
wobei im Falle der Ausbildung des Moduls (13, 15) als
Expansionsmodul (15) die Saugseite der Turbinenschaufeln (111) in Drehrichtung (T) des Laufrads (11) und die Saugseite der Leitschaufein (100) gegen die Drehrichtung (T) des
Laufrads (11) ausgerichtet sind.
12. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Strömungsmaschine (16) in Form einer Dampfturbine (160) oder einer Gasturbine (161) ausgebildet ist, 6 welche Turbine (1) im Falle einer Ausbildung als Dampfturbine
(160) mindestens ein Expansionsmodul (15) aufweist,
welche Turbine (1) im Falle einer Ausbildung als Gasturbine
(161) ein Expansionsmodul (15) und mindestens ein
Verdichtungsmodul (13) aufweist,
und welche Turbine (1) dazu ausgebildet ist, ein mit Druck und Wärme beaufschlagtes Arbeitsmedium zwischen dem
Strömungseinlass (102) und dem Strömungsauslass (103) des Gehäuses (101) in mehreren jeweils von einem Leitrad (10) und einem Laufrad (11) gebildeten Stufen zu entspannen, wobei die Strömung (S) an den Turbinenschaufeln (111) und an den
Laufringflügeln (2) der Laufräder (11) des Laufwerks Arbeit verrichtet, welche z.B. für den Antrieb eines Generators nutzbar ist.
13. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Verdichtungsmodul (13) und einem Expansionsmodul (15), welches Verdichtungsmodul (13) einen Wärmeübertrager aufweist und zusammen mit dem Expansionsmodul (15) eine Wärmepumpe oder eine Kühlturbine bildet.
14. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Verdichtungsmodul (13), welches Verdichtungsmodul (13) elektrisch angetrieben ist und ein Turbinengebläse bildet, welches Turbinengebläse insbesondere als Lüfter oder
Ventilator einsetzbar ist.
15. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Verdichtungsmodul (13), welches Verdichtungsmodul (13) elektrisch angetrieben ist und einen Turbinensauger bildet, welcher Turbine (1) ein Auffangbehälter (191) zugeordnet ist, welcher durchströmbar angeordnet ist, wobei bevorzugt ein mit dem Strömungseinlass (102) des Gehäuses (101) verbundener 7
Saugschlauch (190) vorgesehen ist.
16. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Verdichtungsmodul (13), welche Turbine (1) als Turbinen strahltriebwerk (17) ausgebildet ist, bei dem am
Strömungseinlass (102) des Gehäuses (101) ein als Fan (112) ausgebildetes Laufrad (11) mit Turbinenschaufeln (111), die an ihrem äußeren Ende mit einem Laufringflügel (2) verbunden sind, zusammen mit einem sich stromab anschließenden Leitrad (10) die erste Stufe des Verdichtungsmoduls (13) bilden, welche Turbine (1) bevorzugt thermodynamisch oder elektrisch angetrieben ist.
17. Turbine (1) nach Anspruch 16 mit einem Expansionsmodul (15), welche einen thermodynamischen Antrieb (14, 18) mit
mindestens einer Brennkammer (14) aufweist, und bei welcher sich in Richtung der Strömung (S) die mindestens eine
Brennkammer (14) sowie mindestens ein Expansionsmodul (15) mit einer Schubdüse als Strömungsauslass (103) an das
Verdichtungsmodul (13) anschließen und das Turbinen
strahltriebwerk (17) entweder als ein Mantelstromtriebwerk (170) oder als ein Propfan-Triebwerk (171) oder als eine Wellenturbine (172) oder als ein Turboprop-Triebwerk oder als ein Einstrom-Strahltriebwerk (173) ausgebildet ist.
18. Turbine (1) nach Anspruch 16 oder 17, bei welcher das
Turbinen-Strahltriebwerk (17) eine Schubstufe (12) aufweist, die innerhalb eines zweischalig ausgebildeten Gehäuses (101) von einem Laufrad (11) und einem Leitrad (10) gebildet wird, welche Schubstufe (12) bei einem Mantelstrom-Triebwerk (170) am Strömungseinlass (102) des Gehäuses (101) vor dem
Verdichtungsmodul (13) oder bei einem Propfan-Triebwerk (171) am Strömungsauslass (103) des Gehäuses (101) unmittelbar hinter dem Expansionsmodul (15) angeordnet ist, wobei das 8
Laufrad (11) der Schubstufe (12) als Fan (112) mit einem äußeren Laufringflügel (2), dessen Saugseite auf der der Rotationsachse (x) zugekehrten Innenseite liegt, ausgebildet ist .
19. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Leitringflügelprofil (21) eine zum
Strömungseinlass (102) des Gehäuses (101) orientierte
Flügelnase (n) und eine zum Strömungsauslass (103) des Gehäuses (101) orientierte Flügelhinterkante (e) aufweist.
20. Turbine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Antrieb (14, 18) aufweist, und bei welcher die
Laufräder (11) durch den Antrieb (18) antreibbar sind.
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