CH659851A5 - Turbine. - Google Patents

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CH659851A5
CH659851A5 CH3706/81A CH370681A CH659851A5 CH 659851 A5 CH659851 A5 CH 659851A5 CH 3706/81 A CH3706/81 A CH 3706/81A CH 370681 A CH370681 A CH 370681A CH 659851 A5 CH659851 A5 CH 659851A5
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Description

io Die Erfindung betrifft eine Turbine mit mindestens einem eine Nabe und Laufschaufeln aufweisenden Laufrad, das abwechselnd in der einen und in der entgegengesetzten Durchflussrichtung vom Arbeitsmittel durchströmbar ist und bei beiden Durchflussrichtungen im gleichen Drehsinn 15 umläuft, wobei das bzw. die Laufräder eine mehrreihige Schaufelung aufweisen, und jeweils zwei Schaufelreihen bezüglich einer zu den Durchflussrichtungen senkrechten Ebene oder koaxialen Rotationsfläche symmetrisch angeordnet sind.
20 Unter Durchflussrichtung wird die Richtung der durch das Laufrad fliessenden Meridianströmung verstanden, d.h. die Komponente der Strömung des Arbeitsmittels, die in eine Ebene fällt, die durch die Drehachse des Laufrads und einen Radienvektor aufgespannt ist.
25 In der US-PS 4 221 538 ist eine solche Turbine beschrieben, die mit Luft als Arbeitsmittel arbeitet und für die Energiegewinnung aus den Wellen des Meeres dient. Diese Luftturbine ist im oberen Hals eines ins Wasser eintauchenden und unten offenen Gefässes eingebaut. Das Wasser im 3o unteren Teil des Gefässes steigt und fällt unter dem Einfluss der Wellen, wodurch durch den Hals Luft aus dem Gefäss ausfliesst beziehungsweise in das Gefäss hineinfliesst, d.h. die Luft wird durch die Turbine hindurch abwechselnd in entgegengesetzter Richtung bewegt.
35 Die Laufschaufeln der bekannten Luftturbine sind in einer senkrecht zur Drehachse des Laufrads liegenden Ebene angeordnet, und das Profil der Laufschaufeln ist symmetrisch zu dieser Ebene, wobei das in Umlaufrichtung vordere Ende des Profils mit einem grösseren Radius abgerundet ist als das 4o in Umlaufrichtung hintere Ende des Profils. Wenn Luft durch den Hals des Gefässes strömt, ergibt sich im vorderen, besser abgerundeten Ende des Profils ein kleinerer Druck als am schärfer abgerundeten, stärkere Ablösung der Strömung verursachenden hinteren Ende des Profils, so dass sich das Lauf-45 rad zu drehen beginnt. Durch das Drehen des Laufrades entsteht eine schräg gegen das vordere Ende des Profils gerichtete relative Anströmung, als Resultat der vektoriellen Addition der in der Ebene des Laufrades liegenden, infolge der Umfangsgeschwindigkeit entstehenden Strömung und der so absoluten, gegebenenfalls durch ein Leitrad gerichteten Zuströmung. Unter der schräg zum Profil liegenden relativen Anströmung dreht sich das Laufrad und gibt Leistung ab. In der anderen entgegengesetzten Durchflussrichtung der Luft arbeitet das Laufrad entsprechend, wobei es im gleichen 55 Drehsinn umläuft. Wegen der geschilderten Symmetrie des Laufrades ist der Wirkungsgrad und die Leistungsabgabe einer Turbine gegebener Grösse aber relativ gering, insbesondere unter Mitberücksichtigung aller praktisch unvermeidbaren Verluste.
60 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad einer Turbine gegebener Grösse zu erhöhen, oder die Grösse einer Turbine bei gleicher Leistungsabgabe zu verkleinern, und zwar für beliebige Gasoder flüssige Strömungsmittel.
65 Die Erfindung gründet sich auf die Erkenntnis, dass die bekannten Turbinen im Anstellwinkel der relativen Anströmung wegen des Abreissens der Strömung bei zu grossem Anstellwinkel beschränkt sind.
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Die gestellte Aufgabe wird bei der eingangs geschilderten Turbine erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jeweils in Durchflussrichtung benachbarte Laufschaufeln strömungsmässig zusammenwirken und wenigstens die genannten zwei Schaufelreihen Laufschaufeln mit einem wenigstens über einen Teil ihrer Länge unsymmetrischen Profil aufweisen und diese Profile zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei die zusammenwirkenden Schaufeln entweder über ihre ganze Länge unverbunden oder über einen Teil ihrer Länge miteinander verbunden sind.
Mit Vorteil werden zwei gleichgrosse Hauptflügel mit spiegelsymmetrischem Profil vorgesehen, die in den Durchflussrichtungen des Laufrades hintereinander angeordnet sind.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der gegenseitige mittlere Abstand der beiden Profile von zugeordneten Schaufeln das bis etwa l,5fache der Sehnenlänge eines Profiles, vorzugsweise das 0,5fache der Sehnenlänge eines Profiles beträgt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung werden ein Hauptflügel und zwei zu beiden Seiten des Hauptflügels liegende Hilfsflügel vorgesehen. Für diese Ausführung ist es vorteilhaft, wenn der in der jeweiligen Durchflussrichtung des Laufrades vordere Hilfsflügel mit dem Hauptflügel strömungsmässig als Einheit zusammenwirkt, während der bei der gleichen Durchflussrichtung des Laufrades hintere Hilfsflügel als Leitflügel wirkt.
Bei einer einfachen Bauart des Laufrades weist die Längsrichtung der Schaufeln von der Drehachse des Laufrades weg. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt der Schaufeln gegen die Drehachse des Laufrades hin völliger wird, sowie wenn deren Profil für einen gegen die Drehachse des Laufrades hin wachsenden Anströmwinkel ausgelegt ist. Um die Schaufeln festigkeitsmässig zu verbessern, können benachbarte Schaufeln an ihrem von der Drehachse des Laufrades entfernteren Ende miteinander verbunden sein.
Die Längsrichtungen der Laufschaufeln können statt senkrecht auch schräg oder sogar parallel zur Drehachse des Laufrades stehen. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil eines exakt gleichen Anströmwinkels über die ganze Längsrichtung der Laufschaufeln.
Bei allen Bauarten wird vorteilhafterweise eine strömungstechnisch günstig ausgebildete Querschnittserweiterung beidseitig der Turbine vorgesehen, die für Beschleunigung und Verzögerung der Arbeitsmittelströmung sorgt.
In den Zeichnungen, anhand welcher die Erfindung näher erläutert wird, sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt.
Die Ausführungsbeispiele zeigen Turbinen, bei denen Luft als Strömungsmittel dient. Statt dessen können die Turbinen im Rahmen der Erfindung auch so ausgeführt sein,
dass ein anderes Gas oder ein flüssiges Medium, z.B. hin- und herströmendes Wasser, als Arbeitsmittel dient. Gegebenenfalls kann dabei auch Teilbeaufschlagung der Turbine zur Anwendung kommen.
Fig. 1 einen Schnitt parallel zur Drehachse des Laufrades durch eine in den Hals eines Gefässes eingebaute Luftturbine,
Fig. 2 einen Querschnitt durch Leitschaufeln und Laufschaufeln der Luftturbine nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch das Laufrad einer anderen Ausführungsform,
Fig. 4 und 5 Laufschaufelprofile, angeströmt in der einen und in der entgegengesetzten Durchflussrichtung,
Fig. 6 und 7 je ein Schaufelprofil zweier weiterer Laufräder,
Fig. 8 eine Ansicht auf strömungsmässig zusammenwirkende Laufschaufeln in einer Durchflussrichtung,
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8, Fig. 10 einen Schnitt nach der Linie X-X in Fig. 8,
Fig. 11-14 je einen Längsschnitt durch vier weitere Luftturbinen, und
Fig. 15 einen Querschnitt entsprechend Fig. 2 durch eine weitere Luftturbine.
Die in den Fig. 1-3 dargestellte Luftturbine 1 ist in einem oberen Hals 2 eines Gefässes 3 angeordnet, von dem die Zeichnung nur den obersten Teil zeigt. Das Gefäss 3 taucht mit seiner unteren Hälfte in durch Wellen bewegtes Wasser ein. Das Gefäss 3 ist unten offen und der Wasserspiegel im Gefäss 3 steigt und sinkt unter dem Einfluss der Wellenbewegung. Die in der oberen Hälfte des Gefässes 3 befindliche Luft strömt deshalb durch den Hals 2 in der einen Durchflussrichtung 4 in das Gefäss ein oder in der anderen Durchflussrichtung 5 aus dem Gefäss heraus. Diese bewegte Luft ist das Arbeitsmittel der Luftturbine 1.
Die Luftturbine 1 besitzt eine Nabe 6 und Laufschaufeln 7. Die Nabe 6 ist in einem zentralen Gehäuse 8 gelagert. In Durchflussrichtung vor und nach den Laufschaufeln 7 liegen Leitschaufeln 9, die das Gehäuse 8 mit dem Hals 2 verbinden. Im Gehäuse 8, z.B. im oberen Teil, liegt ein elektrischer Generator, der von der Luftturbine 1 angetrieben wird.
Die Laufschaufeln 7' und 72 sind zur Verbesserung der Umströmung in mehreren Reihen angeordnet. Die Profile der Laufschaufeln 71 und T- sind gleich gross und symmetrisch zueinander ausgebildet und sind in den Durchflussrichtungen 4, 5 des Laufrades hintereinander angeordnet. Dabei liegen die Schaufeln 71 und 72 in den Durchflussrichtungen 4, 5 einander genau gegenüber. Der mittlere Abstand der beiden einander gegenüberliegenden Schaufeln beträgt das bis l,5fache der Länge des Profils, vorteilhafterweise das 0,5fache der Länge des Profils.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, leiten die Leitschaufeln 9 die Luft aus der Durchflussrichtung 4 bzw. 5, die parallel zur Drehachse des Laufrades verläuft, in Umlaufrichtung des Laufrades (im Drehsinn des Laufrades) um etwa 30° um.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1-3 sind die in den Durchflussrichtungen 4, 5 einander genau gegenüberliegenden Schaufeln 71 und 72 an ihren einander zugewandten Oberflächen 10 bzw. 11 flacher ausgebildet als an ihren voneinander weggewandten Oberflächen 12 bzw. 13.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der gegenseitige Abstand der Profile am vorderen Ende der benachbarten Schaufeln kleiner als am hinteren Ende, und gleichzeitig ist hier eine Bauart ohne Leitschaufeln gezeigt.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 und 5 sind die Laufschaufeln als Hauptflügel 73 und als Hilfsflügel 74 und 75 ausgebildet. Die Hilfsflügel 74 und 75 liegen zu beiden Seiten des Hauptflügels 73. Wie in Fig. 4 durch strichpunktierte Linien angezeichnet ist, wirkt der in der einen Durchflussrichtung 4 des Laufrades vordere Hilfsflügel 74 mit dem Hauptflügel 73 strömungsmässig zusammen, während der bei der gleichen Durchflussrichtung 4 des Laufrades hintere Hilfsflügel 75 als Leitflügel wirkt. In Fig. 5 ist gut ersichtlich, dass die beiden Hilfsflügel 74 und 75 symmetrisch zum Hauptflügel 73 liegen. In der anderen Durchflussrichtung 5 wirkt der dann vordere Hilfsflügel 75 mit dem Hauptflügel 73 strömungsmässig zusammen, während der bei der Durchflussrichtung 5 dann hintere Hilfsflügel 74 als Leitflügel wirkt.
Bei der Laufschaufel nach Fig. 6 liegen die Hilfsflügel 74 und 75 am hinteren Ende des Hauptflügels 73, während beim Profil nach Fig. 7 die Hilfsflügel 74 und 75 die gleiche Länge wie der Hauptflügel 73 haben.
Die Längsrichtung der Laufschaufel nach Fig. 8-10 erstreckt sich senkrecht zur Drehachse des Laufrades, wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2, d.h. die Längsrichtung der Laufschaufeln 7 weist von der Drehachse des Laufrades weg. Dabei wird der Querschnitt der Profile gegen die Drehachse des Laufrades hin völliger. Es wird ein gegen
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die Drehachse hin wachsender Anströmwinkel zulässig, wie es die Fig. 9 und 10 zeigen.
Bei den Luftturbinen nach Fig. 11 und Fig. 12 sind die Schaufeln 71 und 72 an ihrem von der Drehachse A des Laufrades entfernten Ende 14 bzw. 15 miteinander verbunden. Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 die Laufschaufeln über ihre ganze Länge unverbunden sind, erstreckt sich beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 die Verbindung über den radial äusseren Teil der Länge der Laufschaufeln.
Bei der Luftturbine nach Fig. 13 verlaufen die Längsrichtungen R der Laufschaufeln parallel zur Drehachse A des Laufrades, so dass über die gesamte Längsrichtung der Laufschaufeln eine gleichgrosse Umlaufgeschwindigkeit vorliegt und der Anströmwinkel der Laufschaufeln über die ganze Längsrichtung hin der gleiche ist.
Bei der Turbine nach Fig. 14 verlaufen die Längsrichtungen R der Laufschaufeln schräg zur Drehachse A des Laufrades als Beispiel für eine halbaxial durchflossene Turbine, während die Turbine nach Fig. 1 axial durchflössen, und die Turbine nach Fig. 13 nahezu radial durchflössen ist. In diesen beiden Figuren treten die strömungstechnisch günstig geformten Querschnittserweiterungen (23,23') deutlich in Erscheinung.
Bei der Turbine nach Fig. 15 ist dem Laufrad 17 ein zwei-5 tes Laufrad 18 unter Zwischenschaltung eines Zwischenleitrades 16 nachgeschaltet.
Bei allen Ausführungsbeispielen sind die Schaufelreihen bezüglich einer Ebene E senkrecht zur Durchflussrichtung oder einer koaxialen Rotationsfläche symmetrisch, obwohl io die Profile der Schaufeln, einzeln betrachtet, unsymmetrisch sind. Die beschriebenen Turbinen haben also wie die bekannten Turbinen, mit nur einer Laufschaufelreihe in beiden Durchflussrichtungen die gleichen Strömungsverhältnisse, jedoch einen besseren Wirkungsgrad.
15 Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer Luftturbine beschrieben. Wie bereits erwähnt, lässt sich die Erfindung mit Vorteil auch für andere Strömungsmittel realisieren, z.B. hin- und herströmendes Wasser oder ein anderes Medium.
3 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

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1. Turbine mit mindestens einem eine Nabe (6) und Laufschaufeln (7) aufweisenden Laufrad, das abwechselnd in der einen und in der entgegengesetzten Durchflussrichtung (4, 5) vom Arbeitsmittel durchströmbar ist und bei beiden Durchflussrichtungen im gleichen Drehsinn umläuft, wobei das bzw. die Laufräder eine mehrreihige Schaufelung aufweisen und jeweils zwei Schaufelreihen (71,72; 74, 75) bezüglich einer zu den beiden Durchflussrichtungen (4, 5) senkrechten Ebene (E) oder koaxialen Rotationsfläche (R) symmetrisch angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in Durchflussrichtung benachbarte Laufschaufeln strömungsmässig zusammenwirken und wenigstens die genannten zwei Schaufelreihen (71,72; 74,75) Laufschaufeln mit einem wenigstens über einen Teil ihrer Länge unsymmetrischen Profil aufweisen und diese Profile jeweils zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei die zusammenwirkenden Schaufeln entweder über ihre ganze Länge unverbunden oder über einen Teil ihrer Länge miteinander verbunden sind.
2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei aus gleichgrossen Hauptflügeln (71,72) gebildete Schaufelreihen vorgesehen sind, die in den Durchflussrichtungen (4,5) des Laufrades hintereinander angeordnet sind.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Turbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der gegenseitige mittlere Abstand der Profile (71,72) der Hauptflügel in den Durchflussrichtungen gemessen das bis l,5fache der Sehnenlänge ihres Profiles beträgt.
4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der gegenseitige mittlere Abstand der beiden Profile (71,72) etwa das 0,5fache der Sehnenlänge der Profile beträgt.
5. Turbine nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der gegenseitige Abstand der Profile (71,72) am vorderen Ende der Schaufeln kleiner ist als am hinteren Ende.
6. Turbine nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile (71,72) der Schaufeln an ihren einander zugewandten Oberflächen (10,11) flacher ausgebildet sind als an ihren voneinander weggewandten Oberflächen (12,13).
(7) parallel zur Drehachse des Laufrades verlaufen.
7. Turbine nach Anspruch 1 mit drei Laufschaufelreihen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelreihen Hauptflügel (73) und zwei zu beiden Seiten des Hauptflügels liegende Hilfsflügel (74, 75) aufweisen.
8. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in der jeweiligen Durchflussrichtung (4) des Laufrades (6,7) vordere Hilfsflügel (74) mit dem Hauptflügel (73) strömungsmässig als Einheit zusammenwirkt, während der bei der gleichen Durchflussrichtung (4) des Laufrades hintere Hilfsflügel (75) als Leitflügel wirkt.
9. Turbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Hilfsflügel (74,7S) die gleiche Sehnenlänge wie das Profil des Hauptflügels (73) aufweist.
10. Turbine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung der Laufschaufeln (7) von der Drehachse des Laufrades wegweist.
11. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Laufschaufeln (71,72) gegen die Drehachse des Laufrades hin völliger wird.
12. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile der Schaufeln (71,72) für einen gegen die Drehachse des Laufrades hin wachsenden Anströmwinkel ausgelegt sind.
13. Turbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln (71,72) an ihrem von der Drehachse des Laufrades entfernteren Ende (14,15) miteinander verbunden sind.
14. Turbine nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtungen der Laufschaufeln
15. Turbine nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laufrad ein zweites Laufrad unter Zwischenschaltung eines Zwischenleitrads (16) nachgeschal-5 tet ist.
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