DE3149040A1

DE3149040A1 - Verdraengerturbine

Info

Publication number: DE3149040A1
Application number: DE19813149040
Authority: DE
Inventors: Waldemar H. 4000 Düsseldorf Kurherr
Original assignee: KURHERR MOTOREN AG
Current assignee: KURHERR MOTOREN AG
Priority date: 1980-12-15
Filing date: 1981-12-11
Publication date: 1982-10-21
Also published as: AU7823381A; AR227343A1; ZA818329B; SU1179938A3; GB2089893A; GB2089893B; IT1144536B; FR2496162A1; IT8149902A0; BR8108112A; ES8300929A1; CA1179946A; ES507940A0; JPS57124001A

Description

Die Praxis verlangt schon seit vielen Jahren nach einer leistungsstarken Antriebsmaschine, insbesondere einer Dampfmaschine, die sich wirksam und wirtschaftlich mittels verschiedener Medien antreiben läßt. Bei diesbezüglichen Vorschlägen wurde jedoch im Hinblick auf eine mit verhältnismäßig niedrigem Druck arbeitende Maschine dem Ausgleich des Innendrucks nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt.

Des weiteren erfordern große Dampfmaschinen seit eh und je einen Schmiermittel- bzw. Ölzusatz zum Dampf, um die zahlreichen gleitenden Teile wie Kolben und GIeitdichtungen hinreichend zu schmieren. Andernfalls käme es zu einer hohen Reibung und demgemäß unerwünscht starkem Verschleiß.

Die herkömmlichen Dampfturbinen weisen eine Reihe von Nachteilen auf; so lassen sich übliche Turbinen nur im Vollastbetrieb wirtschaftlich einsetzen. Im Teillastbetrieb geht der Wirkungsgrad hingegen rasch gegen Null. Des weiteren sind im Hinblick auf eine optimale Leistung konstante hohe Drehzahlen erforderlich, und führt demzufolge eine Drehzahlverringerung zu einem rapiden Wirkungsgradverlust.

Hinzu kommt, daß es sich bei Turbinen wegen der Ausnutzung der kinetischen Energie sich schnell bewegender Gasmoleküle um Hochtemperatur-Wärmekraftmaschinen handelt, die im Hinblick auf einen ausreichenden Wirkungsgrad Betriebstemperaturen über 300⁰C erfordern. Schließlich wird bei hlerkömmlichen Dampfturbinen auch noch die Drehzahl durch das selbst mit einem Reibungsverschlejß verbundene und daher zum Festfressen neigende Hauptventil bestimmt.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine bei niedriger Temperatur arbeitende Verdrängerturbine mit Innendruckkompensation sowie wenig Gleitreibung und geringem Verschleiß zu schaffen, die sich äußerst wirtschaftlich und wirksam unter Ausnutzung sowohl der Expansionskräfte eines schmiermittelfreien Druckmediums als auch der kinetischen Energie eines mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gases mit hohem Wirkungsgrad sowohl im Vollast- als auch im Teillastbereich betreiben läßt.

Die Lösung besteht in einer ventillosen Zweikammer-Turbine, die im wesentlichen als Expansionsdampfmaschine funktioniert und die Turbinenwirkung zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades ausnutzt. Demgemäß handelt es sich bei dem Gegenstand der Erfindung um eine Verdrängerturbine, bei der die kinetische Energie eines wie bei einer herkömmlichen Turbine auf Schaufeln treffenden schnell strömenden Gases ausgenutzt wird.

Im einzelnen besteht die Lösung der vorerwähnten Aufgabe in einer Verdrängerturbine mit einem Gehäuse , dessen elliptischer Innenraum durch einen konzentrisch gelagerten Rotor inzwei Radialkammern unterteilt ist. Der Rotor weist mindestens zwei Gruppen jeweils exzentrisch und radial verschiebbar im Rotor gelagerter und mit dem Rotor -rotierender, eine reibungsfreie Dichtung gegenüber der die beiden radialen Kammern begrenzenden Innenraumwandung bewirkenden Rotorschaufeln auf und dreht sich in dem mit Ein- und Auslässen versehenen Gehäuse; er ist zudem mit mindestens einer Abtriebswelle verbunden.

Zwischen dem Rotor und dem Gehäuse befinden sich im Bereich der großen Ellipsenachse zwei einander diametral gegenüber-

liegende Radialkammern mit veränderlichem Volumen, durch die sich die beiden Schaufelgruppen hindurchbewegen. Um das zu ermöglichen,■sind die Schaufelgruppen auf einer im Gehäuse zentrisch angeordneten stationären Kurbelwelle gelagert. Ein Druckmedium gelangt auf der einen Seite in die Radialkammern und beaufschlagt die im Verlaufe ihrer Rotationsbewegung in die betreffende Radialkammer eintretenden Rotorschaufeln, bis es die Radialkammer an der dem Einlaß gegenüberliegenden Seite wieder verläßt.

Die sich radial hin- und herbewegenden Rotorschaufein sind mittels berührungsloser Dichtungsrollen während ihrer Hin- und Herbewegung in Rotorschlitzen geführt und nach Art von Labyrinthdichtungen abgedichtet. In ähnlicher Weise ergeben sich berührungs- bzw. reibungslose Labyrinthdichtungen zwischen dem Rotor und der Innenfläche des Motorgehäuses im Bereich des geringsten Wandungsabständes sowie zwischen den Rotorschaufeln und der Innenoberfläche des Gehäuses im Bereich der Radialkammern. Um möglichst geringe Reibungsverluste zu gewährleisten und die Dichtwirkung zu erhöhen, können die relativ zueinander beweglichen Teile mit Kunststoff beschichtet seid.

Die erfindungsgemäße Turbine erfordert keinerlei Schmiermittel, weil sie mit Ausnahme der Rotorlager keine Teile mit gleitender Reibung aufweist und alle dynamischen Dichtungen aus reibungslosen Labyrinthdichtungen bestehen.

Zu Beginn der Rotordrehung ist das aus der kinetischen Energie des Dampfes resultierende Drehmoment wesentlich geringer als das aus der Dampfexpansion resultierende Drehmoment. Mit zunehmender Umdrehungsgeschwindigkeit

nimmt jedoch die kinetische Energie je Umdrehung zu und ergibt sich demzufolge eine entsprechende Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades. Hinzu kommt die sich mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit steigernde Dichtwirkung der Labyrin^thdichtungen.

Die beiden Schaufelgruppen folgen der Innenkontur des Gehäuses und unterteilen dabei jede Radialkammer in zwei Teilräume. Demzufolge sind der Ein- und der Auslaß jeäer Radiallenmer während der Rotordrehung ständig gegeneinander abgedichtet, obgleüx der Motor keine Ventile besitzt.

Ein durch die einander diametral gegenüberliegenden Einlasse in die Radialkammemeintretendes Druckmedium, beispielsweise Dampf, übt auf zwei einander ebenfalls gegenüberliegenden Seiten Druck auf den Rotor aus und gewährleistet demgemäß einen völligen Druckausgleich. Dieser Druckausgleich ist insbesondere bei großen, mit hochgespanntem Druckmedium arbeitenden Maschinen unerläßlich.

Die erfindungsgemäße Verdrängertürbine eignet sich insbesondere für einen Niedrigtemperaturbetrieb, beispielsweise bei Temperaturen von 120 bis 150⁰C, insbesondere als geothermische Kraftmaschine. Wegen ihres höheren Gesamtwirkungsgrades kommt sie jedoch insbesondere auch für die Verwendung anstelle von Kraftwerksturbinen infrage. Unabhängig davon läßt sich die Turbine jedoch mit jedem anderen Druckmedium geringen Drucks und/oder geringer Temperatur betreiben. So eignen sich beispielsweise auch in Kavernen gespeicherte Druckluft, Erdgas und selbstkorrodierende Medien, sofern die Turbinenteile entsprechend korrosionsbeständig sind.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt und

Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Turbine jeweils in schematischer Darstellung.

Das Gehäuse der erfindungsgemäßen Verdrängerturbine besteht aus einer oberen und einer unteren,' über Flansche 3, 4 druckdicht miteinander verschraubten Hälfte 1, 2 mit im " Querschnitt elliptischem Innenraum. Jede Gehäusehälfte 1, weist einen eigenen Einlaß 5, 6 sowie einen eigenen Auslaß 7, 8 auf. Dabei liegen Einlaß und Auslaß jeweils einander diametral gegenüber und paarweise auf jeweils einer Gehäuseseite, um jeweils eine Seite bzw. einen Teil des Motors zu bedienen.

Ein im Gehäuse 1, 2 drehbar gelagerter Rotor unterteilt den elliptischen Innenraum in zwei einander diametral gegenüberliegende Radialkammern 10, 11.

Der Rotor 9 weist einen Deckel 12 mit einem in einem Lager 18 gelagerten Rohrstutzen 14 sowie einen weiteren Deckel mit einer in zwei getrennten Lagern 16, 17 gelagerten Abtriebswelle 15 auf. Der Rohrstutzen 14 und die Abtriebswelle 15 sind darüber hinaus in die Lager 16 bis 18 aufnehmenden Lagerstücken 21, 22 abgestützt.

Zwischen den Deckeln 12, 13 sind mehrere Mantelplatten 23 bis 28 so im Abstand voneinander eingespannt, daß sich zwischen jeweils zwei Platten ein Radialschlitz ergibt. Die achsparallelen Längskanten der Rotorplatten 23 bis 28

begrenzen die zwischen jeweils zwei Platten befindlichen Schlitze mittels kreisbogenförmiger, nach innen weisender, einander beiderseits eines Schlitzes gegenüberliegender Dichtungslippen 29.

Zwischen den Deckeln 12, 13 erstrecken sich jeweils im Bereich eines Rotorschlitzes zwischen druckdichten und rostfreien Lagern 31 sechs Tragscheiben 30.

Von jeder Tragscheibe 30 ragen vier starre Bolzen 52 in das Rotorinnere und tragen in druckdichten und korrosionsbeständigen Wälzlagern gelagerte Rollen 32. Des weiteren erstrecken sich zwischen je zwei einander gegenüberliegenden Tragscheiben 30 zwei miteinander verschraubte, mit den Rollen 32 eine gemeinsame Dichtung bildende Dichtleisten 33, 34.

Die Außenflächen der Dichtleisten 33, 34 folgen genau, jedoch ohne Berührung der Krümmung der Dichtungslippen 29.

Die Innenflächen der Dichtleisten 33, 34 umschließen hingegen ohne Kontakt etwa den halben Umfang der Rollen 32. Dabei ergeben sich in der Zeichnung nicht dargestellte schmale Schlitze längs der Außen- und der Innenfläche der Dichtleisten 33, 34, die eine reibungsfreie Labyrinthdichtung zwischen den Dichtleisten 33, 34 und den Dichtungslippen einerseits sowie zwischen den Dichtleisten 33, 34 und den Rollen 32 andererseits bilden.

Die Mantelplatten 23 bis 28 des Rotors 9 befinden sich in einem Abstand von der Innenoberfläche des elliptischen Innenraums bzw. des Gehäuses 1, 2, so daß sich im Bereich

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des geringsten Wandabstands jeweils ein achsparalleler Längsschlitz an der Plattenaußenfläche und damit eine reibungsfreie Labyrinthdichtung ergibt.

Des weiteren bilden die Stirnflächen 80 mehrere Rotorschaufeln 35 bis 40 mit der ihnen gegenüberliegenden Kammerinnenwandung in der Zeichnung nicht dargestellte Längsschlitze, die ebenfalls als reibungsfreie Labyrinthdichtungen fungieren. Dabei sind die Rotorshaufeln 35 bis 40 so angeordnet, daß sie sich mit geringem Abstand, d.h. berührungsfrei an den Wandungen der Radialkammern 10, 11 vorbeibewegen und gleichzeitig als Dichtung in bezug auf die Innenoberfläche des Gehäuses wirken.

Um eine gleitende Reibung zu vermeiden, sind die Rotorschaufeln 35-bis 40 an den Rollen 32 geführt, die sich in dem Maße drehen, wie sich die Rotorschaufeln in den Radialschlitzen des Rotors 9 hin- und herbewegen. Um dabei eine ausreichende Dihtung zu gewährleisten, sind die Rotorschaufeln 35 bis 40 vorzugsweise mit Kunststoff beschichtet. Im Verlaufe der Rotordrehung pendeln die Rotorschaufeln 35 bis von einer Schlitzseite zur anderen. Dies ermöglichen die Dichtleisten 33, 34 und die Dichtungslippen 29.

Eine Kurbelwelle 82 weist einen mit Keilen 45 im Lagerstück 21 starr befestigten Wellenzapfen 41 sowie einen weiteren konzentrischen Wellenzapfen 44 auf. An mindestens zwei Kurbeln 42, 43 greifen die Rotorschaufeln 35 bis 40 gruppenweise an. So sind die Rotorschaufeln 35 bis 37 über Verbindungsstücke 46 mittels druckdichter und korrosionsbeständiger Lager 48 auf den Kurbeln 43 gelagert, während

der andere Satz Rotorschaufeln 38 bis 40 ebenfalls mittels eines druckdichten und korrosionsbeständigen Lagers 48 über Verbindungsstücke 47 auf der anderen Kurbel 42 gelagert ist.

Der Wellenzapfen 44 ist mittels eines druckdichten und korrosionsbeständigen Lagers 53 so in dem Deckel 13 gelagert, daß dieser um den Zapfen rotieren kann und die drehfeste Lagerung der Kurbelwelle 82 trotz der Rotordrehung um die Welle gewährleistet ist. Die Deckel 12, 13 besitzen im übrigen mehrere Montageöffnungen 49.

Die Auslässe 7 und 8 stehen mit den beiden Radialkammern 10, 11 aus Gründen der Geräuschverringerung über neben und hintereinander angeordnete Kanäle 50 in den beiden Gehäusehälften 1, 2 in Verbindung. Die Kanäle besitzen einen so kleinen Querschnitt, daß sich zwischen den einzelnen Gasstrahlen schallmindernde Interferenzen ergeben. Andererseits führen die beiden Einlasse 6, 7 das Antriebsmedium durch mehrere hintereinander angeordnete, mögliehst große in Richtung auf die Rotorschaufeln ge-' neigte Öffnungen 51 in die Kammern 10, 11 zu den vorbeistreichenden Rotorschaufeln·.

Claims

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Dr.-Ing. Reimar König '.' D'ipf.-Tng. Klaus Bergen Cecilisnallee 76 4 Düsseldorf 3O Telefon 45SOOB Patentanwälte

1 O.Dezember 1981 34 252 K

Firma Kurherr Motoren AG, Himmelrich 18 6340 Baar (Schweiz)

"Verdrängerturbine"

Patentansprüche;

1,1 Verdrängerturbine mit einem Gehäuse (1,2) und einer Abtriebswelle (15), gekennzeichnet durch einen elliptischen, durch einen konzentrisch gelagerten Rotor (9) in zwei einander gegenüberliegende Radialkammern (10,11) unterteilten Innenraum und mindestens zwei Gruppen jeweils exzentrisch und radial verschiebbar im Rotor gelagerter und mit dem Rotor rotierender, eine reibungsfreie Dichtung gegenüber der die beiden radialen Kammern begrenzenden Innenraumwandung bewirkenden Rotorschaufeln (35), Ein- Auslässe (5,6,7,8) und eine mit dem Rotor verbundene Abtriebswelle (15).
2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßstutzen (5,6) über in Richtung auf die Rotorschaufeln (35 bis 40) geneigt verlaufende Einlaßkanäle (51) mit den Radialkammern (10,11) -verbunden sind.
3. Turbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (35

bis 40) in Dichtungen (32,33,34) geführt sind.
4. Turbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Dichtung mehrere Rollen (32) einschließt.
5. Turbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (32) mit Kunststoff beschichtet sind.
6. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (35 bis 40) mit Kunststoff beschichtet sind.
7. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1,2), der Rotor (9) und die Rotorschaufein (35 bis 40) aus einem hitze- und korrosionsbeständigen Kunststoff bestehen.
8. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (35 bis 40) auf einer mittig im Innenraum des Gehäuses (1,2) dreh- und ortsfest gelagerten Kurbelwelle (82) gelagert sind.
9. Turbine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Rotor (9) mit einander gegenüberliegenden, um die Kurbelwelle (82) drehbar gelagerten Deckeln (12,13).
10. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der

Rotormantel aus mehreren zwischeneinander Schaufelschlitze freilassenden und zwischen den Deckeln (12,13) eingespannten Mantelplatten (23 bis 28) besteht.
11. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch Dichtungen aus in den Deckeln (12,13) drehbar gelagerten, einander gegenüberliegenden Tragscheiben (30) für beiderseits der Rotorschaufeln (35 bis 40) angeordnete Dichtleisten (33,34) sowie mindestens eine zwischen den Tragscheiben drehbar gelagerte, an der Rotorschaufel (35 bis 40) anliegender Dichtungsrollen (32).
12. Turbine nach Anspruch 11, gekennzeichnet du r c h eine Labyrintdichtung zwischen den Dichtungswalzen (32) und den Dichtleisten (33,34) sowie zwischen den Dichtleisten und den Rotorschlitzen.
13. Turbine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslässe (5,6,7,8) ventillos mit den Radialkammern (10,11) verbunden s ind.