[0001] Die Erfindung betrifft eine Radialturbine, mit einem Gehäuse, das einen Gehäusekanal
für das Einströmen von Arbeitsmedium aufweist und einen Diffusor mit einem Kanal für
das Ausströmen von Arbeitsmedium umfasst, wobei in dem Gehäuse ein an einer um eine
Rotationsachse drehbaren Laufradwelle aufgenommenes Laufrad positioniert ist, wobei
an dem Laufrad mehrere Schaufeln angeordnet sind, die Schaufelkanäle bilden, die eine
der Rotationsachse zugewandte Schaufelkanalöffnung für das Durchströmen von Arbeitsmedium
zu dem Kanal für das Ausströmen von Arbeitsmedium haben, wobei der Kanal für das Ausströmen
von Arbeitsmedium eine laufradseitige Öffnung hat, wobei das Arbeitsmedium durch einen
von der Schaufelkanalöffnung der Schaufelkanäle zu der laufradseitigen Öffnung des
Kanals für das Ausströmen von Arbeitsmedium erstreckten Zwischenbereich geführt ist
und wobei für das Umlenken von durch den Zwischenbereich strömendem Arbeitsmedium
ein Leitkörper vorgesehen ist, der aus dem Zwischenbereich in den Kanal für das Ausströmen
von Arbeitsmedium erstreckt ist.
[0002] Eine derartige Radialturbine ist z. B. aus der
GB 492,144 A bekannt.
[0003] Die Erfindung betrifft außerdem eine Energieumwandlungsanlage, die zur Bereitstellung
von mechanischer Energie von einem Kreisprozess Gebrauch macht, bei dem ein Arbeitsmedium
mit Hilfe einer thermischen Strömungsmaschine (Turbine) thermodynamisch nahezu isentrop
entspannt wird.
[0004] Eine als Radialturbine ausgebildete Strömungsmaschine gemäß dem Stand der Technik
ist in der Fig. 1 gezeigt. Die Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Abschnitts einer
herkömmlichen Dampfturbine in Form einer Radialturbine, die für eine Dampfströmung
unterhalb der Schallgeschwindigkeit (Unterschallströmung) ausgelegt ist. Bei einer
Radialturbine strömt das entsprechende Arbeitsmedium in radialer Richtung bezüglich
einer Rotationsachse eines Laufrads und beaufschlagt die Schaufel am Rande dieses
Laufrads. Bei Axialturbinen hingegen wird das Arbeitsmedium in axialer Richtung bezüglich
einer Rotationsachse des Laufrads eingeströmt. Bei der in der Fig. 1 gezeigten Turbine
sind von der radialen in die axiale Richtung mit einem Winkel um 90° verlaufende Schaufelein-
und -austrittskanten ausgebildet.
[0005] Die als Radialturbine ausgebildete Strömungsmaschine der Fig. 1 hat ein im Wesentlichen
ruhendes Turbinengehäuse 110, in dem ein Turbinenrad 120 (Laufrad) angeordnet ist.
Das Laufrad 120 umfasst eine Mehrzahl an (mitrotierenden) Schaufeln, wobei in Fig.
1 stellvertretend eine Schaufel 121 dargestellt ist. Ein gasförmiges Arbeitsmedium,
beispielsweise Abgas aus einer Brennkraftmaschine, strömt durch einen Einströmungskanal
bzw. durch einen Düsenkanal 100 des Turbinengehäuses 110 gemäß eines Richtungspfeils
151 und treibt das Laufrad 120 an. Hierzu wird das strömende Arbeitsmedium zunächst
im Düsenkanal 110 beschleunigt und entlang einer Schaufel 121 umgelenkt, wobei die
Kanten der Schaufel einerseits im Bereich eines Arbeitsmediumeintritts parallel zur
Rotationsachse des Laufrads 120 ausgerichtet sind und an einem Arbeitsmediumaustritt
153 in radiale Richtung weisen. Das Arbeitsmedium wird dabei entlang seines gesamten
Strömungsweges im Laufrad zwischen Schaufeln 121 geführt.
[0006] Das Laufrad 120 der Strömungsvorrichtung (Turbine) gemäß Fig.1 ist grundsätzlich
ähnlich wie das Laufrad eines Verdichters gestaltet, bei dem das durch die Schaufeln
getriebene Arbeitsmedium in einer entgegengesetzt zur Darstellung gemäß Fig. 1 orientierten
Richtung einströmt. Entsprechend kann die Strömung in einem Betriebszustand als Verdichter
innerhalb der Schaufeln des Laufrades von innen nach außen derart umgelenkt werden,
dass sie nach dem Austritt aus den Schaufelkanälen am Arbeitsmediumaustritt axial
zum Laufrad verläuft. Diese Bauart von Schaufelrädern bzw. Beschaufelung ist für Arbeitsmedium-
bzw. Dampfgeschwindigkeiten unterhalb der Schallgeschwindigkeit gut geeignet.
[0007] Bei Radialturbinen gemäß dem Stand der Technik, mit Laufrädern, in denen die Strömung
entlang ihrer Beschaufelung um 90° umgelenkt wird, ergeben sich Schwierigkeiten, wenn
Dampfströmungen ihre Schallgeschwindigkeit erreichen.
[0008] Ein besonderes Problem besteht darin, dass Radialturbinen für Überschallströmungen
mit parallelen und axial zur Welle ausgerichteten Schaufeln zur Wirbelbildung führen
und dadurch an Effektivität verlieren.
[0009] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit Überschallströmung betreibbare
Radialturbine anzugeben, mit der ein höherer Wirkungsgrad und eine verbesserte Strömungsführung
ermöglicht wird.
[0010] Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage zur Energiewandlung,
insbesondere zur Durchführung eines Kreisprozesses, insbesondere eines sogenannten
Organic-Rankine-Kreisprozesses, zur Verfügung zu stellen, deren Wirkungsgrad insbesondere
im Bereich des enthaltenen Entspannungsvorgangs verbessert ist.
[0011] Der Organic-Rankine-Kreisprozess (ORC) ist ein Verfahren zur Energieumwandlung, bei
dem aus einer Wärmequelle zum Betrieb von Dampfturbinen ein anderes Arbeitsmedium
als Wasserdampf verwendet wird. Als Arbeitsmedium werden meistens organische Flüssigkeiten
mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur (T
verd < 100°C), selten mit einer höheren Verdampfungstemperatur verwendet. Das Verfahren
kommt in Energieerzeugungs- und Energieumwandlungsanlagen vorwiegend dann zum Einsatz,
wenn das zur Verfügung stehende Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Wärmesenke
zu niedrig für den Betrieb einer von Wasserdampf angetriebenen Turbine ist.
[0012] Diese Aufgabe wird zum einen gelöst durch eine Radialturbine mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 sowie zum anderen durch eine Anlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs
16.
[0013] Eine solche erfindungsgemäße Radialturbine ist in der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung
DE 20 2010 017 157.1 mit der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2010 017 157 U1 und der am 30.12.2010 angemeldeten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2010 056 557.1 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen und deren Offenbarungen in die Beschreibung
dieser Erfindung in vollem Umfang einbezogen wird.
[0014] Eine erfindungsgemäße Radialturbine hat ein Gehäuse mit einem Einströmungskanal.
In dem Gehäuse ist ein auf einer Welle drehbar gelagertes Laufrad angeordnet, das
mehrere, von dem Arbeitsmedium anströmbare Schaufeln aufweist.
[0015] Eine Besonderheit einer erfindungsgemäßen Radialturbine ist, dass für eine Umlenkung
des aus einem Schaufelkanal ausströmenden Arbeitsmediums in Richtung des Austrittskanals
ein Leitkörper mit mindestens einem Umlenkelement im Zwischenbereich zwischen dem
Schaufelkanalaustritt und dem Austrittskanal vorgesehen ist. Vorzugsweise strömt das
Arbeitsmedium zunächst über den Einströmungskanal in radialer Richtung bezogen auf
eine Rotationsachse des Laufrades in das Laufrad ein. Die Schaufeln des Laufrades
bilden dabei ein mit dem Laufrad rotierendes, in Umfangsrichtung des Laufrades unterteiltes
Gitter, in dem das Arbeitsmedium insbesondere in Umfangsrichtung umgelenkt und in
radialer Richtung in das Innere des Laufrades geleitet wird. Bevorzugt sind zwischen
den radial äußeren Kanten der Schaufeln rechteckige Eintrittsöffnungen von mehreren
Schaufelkanälen und zwischen den radial innenliegenden Kanten der Schaufeln rechteckige
Austrittsöffnungen von mehreren Schaufelkanälen gebildet. Dabei sind die Eintritts-
und Austrittsöffnungen eines Schaufelkanals erfindungsgemäß jeweils in Ebenen angeordnet,
die zueinander parallel sind oder einen spitzen Winkel zueinander aufweisen. Weiter
bevorzugt ist der erfindungsgemäße (mitrotierende) Zwischenbereich derart im Inneren
des Laufrades angeordnet, dass er zumindest abschnittsweise von den Austrittsöffnungen
mehrerer Schaufelkanäle ringförmig umgeben ist.
[0016] Der Leitkörper weist bevorzugt ein Umlenkelement in Form einer einstückig mit der
Laufradwelle ausgeführten Tragstruktur mit rotationshyperboloider oder kegeliger Außenkontur
(Laufradkegel) auf, die an ihrer Außenseite zur Strömungsumlenkung dient. Der Leitkörper
weist ferner ein ringförmiges Umlenkelement in Form einer Kreisringstruktur auf, die
zumindest abschnittsweise in den Zwischenraum eingesetzt ist. Erfindungsgemäß kann
ein Leitkörper mit allen Teilabschnitten drehfest mit dem Laufrad verbunden sein.
Alternativ kann ein Leitkörper sowohl mit dem Laufrad verbundene mitdrehende als auch
mit dem Gehäuse verbundene unbewegte Umlenkelemente aufweisen.
[0017] Mit der Anordnung von Umlenkelementen innerhalb des Schaufelrades wird erfindungsgemäß
eine Ablösung der Strömung und ein damit verbundener Druckverlust unmittelbar nach
dem Schaufelrad minimiert. Die Wirkung eines gegebenenfalls nachgeschalteten Diffusors
zur zusätzlichen Effizienzerhöhung wird verbessert. Dies wird erfindungsgemäß besonders
dann erreicht, wenn durch wenigstens ein ringförmiges Umlenkelement der aus den Austrittsöffnungen
mehrerer Schaufelkanäle (Schaufelkanalaustritte) austretende Strom an Arbeitsmedium
nochmals in mehrere voneinander getrennte Teilströme unterteilt wird. Erfindungsgemäß
ergeben sich dabei insbesondere in (bezogen auf das Laufrad) axialer Richtung voneinander
getrennte Teilströme, die mittels unterschiedlicher Konturen an Vorder- und Rückseite
eines Umlenkelements unterschiedlich geführt werden können.
[0018] Weiterhin kann ein in den Zwischenraum eingreifendes ringförmiges Umlenkelement über
einen Befestigungsring am Gehäuse der Radialturbine festgelegt sein. Der Befestigungsring
ist dann bevorzugt als scheibenförmige. durchströmbare Gitterstruktur mit radial verlaufenden
Speichen ausgeführt. In diesem Fall wird die auf das Schaufelrad wirkende axiale Kraft
reduziert, welche aus der Richtungsänderung der Strömung resultiert.
[0019] In einer Ausgestaltung der Erfindung strömt das Arbeitsmedium über einen sich erweiternden
Einströmungskanal in (bezogen auf die Rotationsachse des Laufrads) radialer Richtung
in das Laufrad ein. Eine Engstelle ist für den Strom des Arbeitsmediums im Bereich
des Einströmungskanals vorgesehen, um im Bereich des Einströmungskanals Überschallgeschwindigkeit
erreichen zu können.
[0020] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Leitkörper ein Umlenkelement mit
einer ersten und einer zweiten ringförmigen Kante auf, wobei die erste ringförmige
Kante des Umlenkelements benachbart zu dem Schaufelkanalaustritt positioniert ist
und wobei die zweite ringförmige Kante benachbart zu dem Diffusorkanaleintritt positioniert
ist. Hierdurch wird eine vorteilhafte Abströmung des Arbeitsmediums von dem Laufrad
erzielt. Die Folge ist, dass damit eine Wirbelbildung im Austrittsbereich der Strömungsvorrichtung
bzw. im Diffusoreintrittsbereich verhindert wird.
[0021] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Umlenkelement derart ausgebildet,
dass die erste Kante eine Anströmkante ist und in (bezogen auf das Laufrad) radialer
Richtung weist, wobei die zweite Kante eine Abströmkante ist und in die gleiche Richtung
wie die Rotationsachse weist, so dass damit das aus dem Schaufelkanal ausströmende
Arbeitsmedium von der radialen in die axiale Richtung umgelenkt wird. Hierdurch wird
der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine verbessert. Vorzugsweise weist der Leitkörper
mehrere zueinander beabstandete Umlenkelemente auf.
[0022] Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Umlenkelement eine dem
Laufrad zugewandte und eine dem Laufrad abgewandte Seite. Das Umlenkelement ist hier
derart positioniert, dass es von dem Arbeitsmedium beidseitig umströmt werden kann.
Entsprechend ergeben sich beiderseits des Umlenkelements ringförmige Kanäle für das
Arbeitsmedium. Weiter bevorzugt ist das ringförmige Umlenkelement näherungsweise allseitig
von Arbeitsmedium umströmbar angeordnet. Weiter bevorzugt weist das ringförmige Umlenkelement
zumindest abschnittsweise eine tropfen-, halbmond- oder tragflügelförmige Querschnittsgeometrie
auf. Hierdurch erfolgt eine vorteilhafte Umlenkung des Arbeitsmediums im Bereich des
Laufrads. Damit wird ein besonders effizienter Betrieb der Strömungsvorrichtung ermöglicht.
[0023] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Leitkörper mehrere voneinander
beabstandete Umlenkelemente auf, die zusammen ein durchströmbares Gitter mit ringförmigen
Kanälen bilden. Damit wird der Gesamtstrom des Arbeitsmediums in mehrere ringförmige
Teilströme unterteilt. Innerhalb eines solchen Gitters aus Umlenkelementen kann der
Gesamtstrom wirksam umgelenkt werden, wobei die gebildeten einzelnen Teilströme unterschiedlichen
Behandlungen unterzogen werden können, indem die Konturen der Umlenkelemente voneinander
unterschiedlich gestaltet werden. Auf den Umlenkelementen können wiederum weitere
Strömungsleitelemente wie Turbulenzpromotoren, Oberflächenbeschichtungen oder dergleichen
angeordnet sein. Derselbe Effekt kann grundsätzlich auch bei Verwendung nur eines
Umlenkelements erreicht werden.
[0024] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die voneinander beabstandeten Umlenkelemente
derart positioniert, dass deren den Schaufeln des Laufrades zugewandte Kanten in axialer
Richtung einen axialen Abstand aufweisen. Zugleich weisen die den Schaufeln des Laufrades
zugewandte Kanten wenigstens näherungsweise den gleichen (Außen-)Durchmesser auf,
der wiederum um maximal 10% kleiner ist als ein (gemeinsamer) Durchmesser der inneren
Kanten der Laufradschaufeln. Somit wird eine nennenswerte Vereinigung der aus den
Schaufelkanälen austretenden Teilströme des Arbeitsmediums unterbunden. Vielmehr werden
die in Umfangsrichtung des Laufrades separierten Teilströme im Leitkörper nochmals
in (bezogen auf das Laufrad) axialer Richtung unterteilt. Dies kann selbstverständlich
auch bei Verwendung nur eines Umlenkelements erreicht werden.
[0025] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die voneinander beabstandeten Umlenkelemente
derart positioniert, dass deren in Richtung der Rotationsachse des Laufrads weisenden
Kanten einen unterschiedlichen radialen Abstand bezüglich der Rotationsachse des Laufrads
aufweisen. Damit werden unterschiedliche Teilströme des Arbeitsmediums mit unterschiedlichem
radialem Abstand in einen nachgeschalteten Diffusor entlassen und unerwünschte Verwirbelungen
minimiert.
[0026] Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind an einer mit dem Laufrad verbundenen
Welle mehrere Permanentmagneten und/oder Rotorwicklungen angeordnet, die mit mehreren
benachbart angeordneten, die Welle umgreifenden Statorwicklungen einen elektrischen
Generator bilden. Dementsprechend kann die Strömungsmaschine als "Generatorturbine"
zur Stromerzeugung verwendet werden.
[0027] Eine erfindungsgemäße Radialturbine kann insbesondere eine thermische Strömungsmaschine
sein. Eine Idee der Erfindung ist es darüber hinaus, eine erfindungsgemäße Radialturbine
in einem Organic-Rankine-Kreisprozess zu verwenden.
[0028] Die Erfindung erstreckt sich deshalb auch auf eine Anlage für das Umwandeln von Energie
mit einem Kreisprozess, in der eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine eingesetzt
wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Radialturbine für eine Anlage für das
Umwandeln von Energie in Form einer sogenannten ORC-Anlage. Als ORC-Anlage wird dabei
eine Anlage bezeichnet, in der ein thermodynamischer Kreisprozess in Form eines "Organic
Rankine Cycle" (ORC) durchgeführt wird, mit dem Wärme in mechanische Energie gewandelt
werden kann.
[0029] Die einer erfindungsgemäßen ORC-Anlage zugeführte Wärme kann zum Beispiel aus einer
Wärmequelle in Form einer Brennkraftmaschine aus einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage,
aus einer Biomasse-Feuerungsanlage, aus einer Geothermie-Quelle oder aus einem Solarkraftwerk
stammen. Mittels einer ORC-Anlage kann jede Form von Abwärme genutzt werden. Beispielsweise
kann aus der Abwärme von Verbrennungsmotoren mittels einer ORC-Anlage zusätzlich elektrische
Energie gewonnen werden.
[0030] Eine erfindungsgemäße ORC-Anlage kann einen Kondensator zur Verflüssigung eines Arbeitsmediums
der Anlage, eine Pumpe, einen Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums enthalten.
In einer solchen Anlage gibt es eine dem Verdampfer nachgeschaltete Radialturbine,
in der das Arbeitsmedium unter Entnahme von kinetischer Energie aus dem Kreislauf
entspannt wird.
[0031] Die Pumpe bringt ein bei Normbedingungen flüssiges Arbeitsmedium auf Betriebsdruck.
Nachfolgend durchströmt das noch flüssige Arbeitsmedium den Wärmetauscher (Verdampfer)
oder auch ein Wärmetauschersystem, in dem thermische Energie beispielsweise aus einer
der vorgenannten Quellen auf das Arbeitsmedium der ORC-Anlage übertragen wird. Durch
den Energieeintrag verdampft das Arbeitsmedium bevorzugt vollständig. Am Austritt
des Verdampfers entsteht dann Sattdampf bzw. Trockendampf. Durch den Energieeintrag
im Verdampfer nehmen das spezifische Volumen und die Temperatur des Dampfes zu.
[0032] Der Dampf des Arbeitsmediums wird über eine erfindungsgemäße Strömungsvorrichtung
in Form einer Turbine nahezu isentrop auf einen geringeren Druck entspannt. Das spezifische
Volumen nimmt dann durch die Expansion in der Turbine zu. Diese Volumenvergrößerung,
hervorgerufen durch die Druckdifferenz und die daraus resultierende Arbeit, wird als
Volumenänderungsarbeit bezeichnet, welche die Turbine an ihren Schaufeln in mechanische
Energie umwandelt.
[0033] Aus der Turbine strömt der Dampf gegebenenfalls durch einen Regenerator, in dem ein
Wärmeaustausch zwischen dem dampfförmigen Arbeitsmedium und dem von der Pumpe kommenden
flüssigen Arbeitsmedium stattfindet (innerer Wärmeaustausch).
[0034] Das in der Turbine und ggf. im Regenerator auf Kondensationstemperatur gebrachte
(noch dampfförmige) Arbeitsmedium gelangt in den nachgeschalteten Kondensator, in
dem das Arbeitsmedium unter Angabe von Niedertemperaturwärme rekondensiert wird. Die
bei der Kondensation abgegebene Wärme wird bevorzugt noch über einen Kühlwasserkreislauf
in ein Wärmenetz gespeist. Das Arbeitsmedium kondensiert aus und geht wieder vollständig
in den flüssigen Aggregatzustand über. Die Speisepumpe (Pumpe) bringt nachfolgend
das Arbeitsmedium auf Betriebsdruck und anschließend wieder in den Verdampfer. Damit
schließt sich der Kreislauf.
[0035] Mit einer als Turbine in einer ORC-Anlage eingesetzten erfindungsgemäßen Strömungsvorrichtung
kann insbesondere ein Generator angetrieben werden, der mit der Turbine aus thermischer
Energie gewonnenen mechanischen Energie elektrischen Strom erzeugt.
[0036] Eine solche ORC-Anlage mit einer erfindungsgemäßen Radialturbine kann sowohl für
kleine und große Hausanlagen als auch für große industrielle Anlagen sowie für Kraftwerke
eingesetzt werden. Als Hausanlagen sind dabei die Energieversorgungen, z. B. Klimatisierungsanlagen
für Büros, Garagen, Krankenhäuser und alle Arten von Gebäuden zu verstehen. Industrielle
Anlagen sind z.B. Fertigungsanlagen, insbesondere Fertigungsanlagen der Automobilindustrie,
insbesondere Lackierereien, in denen ein ausgewogener Bedarf an Strom (aus mechanischer
Energie) und Wärme auf unterschiedlichem Temperaturniveau benötigt wird.
[0037] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
[0038] Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie
die nachfolgenden in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegeben
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
[0039] Vorteilhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Radialturbine sind anhand
der Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4. Fig. 5a und Fig. 5b nachfolgend beschrieben.
[0040] Es zeigen:
- Fig. 2
- eine Schnittansicht einer Radialturbine für Überschallströmung mit einem Umlenkelement
in Form eines Rotationshyperboloiden (Laufradkegel) zur Umlenkung der Strömung innerhalb
des Laufrads;
- Fig. 3
- eine Schnittansicht eines Laufrads einer Radialturbine für Überschallströmung mit
einem abschnittsweise in das Laufrad hineinragenden Leitkörper zur Verringerung der
Wirbelbildung in einem nachgeschalteten Diffusor;
- Fig. 4
- eine Schnittansicht einer Strömungsvorrichtung mit hauptsächlich innerhalb des Laufrads
liegenden Leitkörpern;
- Fig. 5a
- in einer vergrößerten Schnittansicht einen Abschnitt der Strömungsvorrichtung nach
Fig. 4; und
- Fig. 5b
- eine Ansicht von Schaufeln des Laufrads der erfindungsgemäßen Strömungsvorrichtung
aus Fig. 5a, die zur Verdeutlichung ihrer Geometrie quer zur Schaufelachse geschnitten
gezeigt sind.
[0041] Fig. 2 zeigt abschnittsweise eine Schnittansicht einer Strömungsmaschine in Form
einer Radialturbine mit einem im Wesentlichen ruhenden Turbinengehäuse 1, 4, 11, in
dem ein Turbinenrad 2 (Laufrad) angeordnet ist. Das Turbinengehäuse 1, 4, 11 umfasst
insbesondere einen Düsenring 1 sowie eine zugehörige Abdeckung 11. Die Abdeckung 11
und der Düsenring 1 sind bevorzugt als separate Baugruppen ausgeführt. Zwischen ihnen
sind die Düsenkanäle 10 gebildet. Das Turbinengehäuse 1, 4, 11 umfasst einen Diffusor
4 mit einem Austrittkanal 40 für das Arbeitsmedium.
[0042] Das in dem Turbinengehäuse angeordnete Laufrad 2 umfasst eine Mehrzahl von (mitrotierenden)
Schaufeln. In der Fig. 2 ist das Laufrad 2 mit einer Schaufel 21 gezeigt. Zwischen
den Schaufeln des Laufrades 2 sind gerade oder gekrümmte Schaufelkanäle 20 ausgebildet,
die einen im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt haben. Die Schaufeln sind über
eine Basis des Laufrades 2 sowie auf einer davon beabstandeten Seite über eine sogenannte
Bandage 22 miteinander verbunden.
[0043] Ein dampfförmiges Arbeitsmedium, beispielsweise das Arbeitsmedium einer ORC-Anlage,
strömt durch einen als Einströmungskanal wirkenden Düsenkanal 10 des Turbinengehäuses
11 gemäß eines Richtungspfeils 51. In dem Einströmungskanal 10 wird über eine entsprechende
Düsengeometrie das strömende Arbeitsmedium beschleunigt, so dass an einer Engstelle
Schallgeschwindigkeit erreicht, wobei das Arbeitsmedium vor einer Überleitung in das
Laufrad 2 auf Überschallgeschwindigkeit gebracht werden kann.
[0044] Das dampfförmige Arbeitsmedium strömt aus dem Düsenkanal 10 und trifft auf die Schaufel
21, die derart ausgebildet ist, dass sowohl die angeströmte Kante als auch die in
Abströmungsrichtung liegende Kante der Schaufel 21 und somit auch diese selbst parallel
und axial zur Laufradwelle ausgerichtet sind. Der überwiegende Teil des Stromes 51
an Arbeitsmedium wird nach dem Passieren der Schaufeln 21 bzw. eines jeweiligen Schaufelkanals
zwischen mehreren Schaufeln 21 (und somit in einem sogenannten Zwischenbereich des
Laufrades 2) auf Parallelität zur Rotationsachse des Laufrades umgelenkt (Pfeilrichtung
53). Hierzu ist erfindungsgemäß ein Leitkörper 3 in Form eines kegeligen Umlenkelements
(Laufradkegel) vorgesehen, der bevorzugt als Rotationshyperboloid gestaltet ist. Dieses
Umlenkelement kann optional einstückig mit dem Laufrad ausgeführt sein kann. Der Leitkörper
3 befindet sich in einem Zwischenbereich 29 zwischen dem Schaufelkanalaustritten 23
und der Eintrittsöffnung 24 in den von dem Diffusor 4 gebildeten Austrittskanal 40.
Das als Laufradkegel ausgebildete Umlenkelement mit dem Leitkörper 3 ist dabei im
Bereich seiner Basis in dem Zwischenbereich 29 innerhalb des Laufrades 2 angeordnet.
Er wird abschnittsweise ringförmig von den Schaufelkanalaustritten 23 bzw. von den
Schaufeln 21 des Laufrades umschlossen. Der Leitkörper 3 erstreckt sich in den von
dem Diffusor 4 gebildeten Austrittskanal 40.
[0045] Der Laufradkegel bewirkt bei moderaten Strömungsgeschwindigkeiten eine weitgehend
laminare Strömungsumlenkung. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten können Wirbel 54
entstehen.
[0046] Zur Verminderung des in Fig. 2 dargestellten Wirbelbildungseffektes kann durch die
Positionierung von Leitkörpern in dem Abströmkanal bzw. in dem Diffusor 4 hinter dem
Laufrad 2 eine Reduzierung der Wirbelbildung erzielt werden.
[0047] Eine erfindungsgemäße Radialturbine ist in der Fig. 3 dargestellt, die im Wesentlichen
gleichartig wie die Radialturbine gemäß Fig. 2 ausgeführt ist. Entsprechend kann auf
die vorstehende Beschreibung zu Fig. 2 Bezug genommen werden. Entsprechend sind auch
gleichartige Bauelemente und Funktionseinheiten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Radialturbine nach Fig. 3 umfasst neben einem ersten Umlenkelement in Form des
mitrotierenden Laufradkegels ein zweites Umlenkelement 31 in Form eines gehäuseseitig
montierten, ringförmigen Leitkörpers 3'. Der Leitkörper 3' greift bevorzugt in einen
Zwischenbereich 29 des Laufrads 2 ein, der von den Laufradschaufeln 21 umgriffen wird.
Dadurch kann der aus den Laufradschaufelkanälen austretende Strom an Arbeitsmedium
frühzeitig in zwei ringförmige Teilströme aufgeteilt werden.
[0048] Der Leitkörper 3' weist eine erste und eine zweite ringförmige Kante 25, 26 auf.
Die erste Kante 25 des Umlenkelements ist benachbart zu dem Schaufelkanalaustritt
23 innerhalb des Zwischenbereichs 29 positioniert. Die zweite Kante 26 ist benachbart
zu der Eintrittsöffnung 24 innerhalb des Austrittskanals 40 angeordnet. Die die erste
Kante 25 wirkt dabei als eine Anströmkante. Die zweite Kante 26 ist eine Abströmkante.
Das Umlenkelement 31 ist mit einer Leitkontur 28 ausgebildet, die sich von der ersten
Kante 25 aus einer näherungsweise zu einer Rotationsachse 27 des Laufrades 2 radialen
Richtung zu der zweiten Kante 26 in eine näherungsweise zu der Rotationsachse 27 des
Laufrades 2 axiale Richtung erstreckt. Das aus dem Schaufelkanal 20 ausströmende Arbeitsmedium
wird damit von dem Umlenkelement 31 aus einer im Wesentlichen radialen in eine im
wesentlichen axiale Richtung umgelenkt. In modifizierten Ausführungsbeispielen können
auch andere Strömungsrichtungen erzeugt werden, indem die Konturen der Umlenkelemente
in die entsprechenden Richtungen orientiert werden.
[0049] Falls trotz der beschriebenen Maßnahmen Restwirbel 54 entstehen - beispielsweise
bei besonders hohen Strömungsgeschwindigkeiten können erfindungsgemäß alternativ oder
zusätzlich weitere Verbesserungen vorgesehen werden.
[0050] Insbesondere werden in ORC-Anlagen häufig Radialturbinen zur Umwandlung der Strömungsenergie
des Arbeitsmediums in ein Drehmoment verwendet. Aufgrund der niedrigen Schallgeschwindigkeit
in solchen Medien und der hohen Druckverhältnisse zwischen Ein- und Austritt des Dampfes
in die Turbine liegt die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes im Laufrad der Turbine
häufig oberhalb der Schallgeschwindigkeit. Auch die Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes
aus dem Laufrad liegt häufig noch über Mach 0,7. Unter Betrachtung des geometrisch
vorgegebenen großen Unterschieds zwischen dem Krümmungsradius des Laufradkegels und
der inneren Kante einer Bandage 22 über den Schaufeln 21 sowie durch die hohe Abströmgeschwindigkeit
wird ein gleichmäßiges Abströmen des dampfförmigen Arbeitsmediums in Turbinen von
ORC-Anlagen häufig verhindert.
[0051] In den Fig. 4, 5a und 5b sind Ausschnitte einer weiteren erfindungsgemäßen, als Radialturbine
ausgebildeten Strömungsmaschine gezeigt, die einen Düsenring 1 mit einer Düsenabdeckung
11, ein in einem Gehäuse auf einer Welle gelagerten Laufrad 2, einen Einströmungskanal
10, einen Diffusor 4, mehrere am Laufrad 2 angeordnete Schaufeln 21, einen ersten
gitterförmigen Leitkörper 3" und einen zweiten kegeligen Leitkörper 3 aufweist. Eine
grundsätzliche Funktionsweise entspricht derjenigen der Radialturbine nach Fig. 2
bzw. Fig. 3, so dass auf die hierzu gemachten Ausführungen Bezug genommen werden kann.
[0052] Ein dampfförmiges Arbeitsmedium ist über den Einströmungskanal 10 zu einem Radeintritt
des Laufrads gemäß eines Richtungspfeils 51 leitbar. Es trifft dort auf die Schaufel
21 und strömt zwischen den Schaufeln 21 in einen Schaufelkanal 20 gemäß eines Richtungspfeils
42 ein (Fig. 5b). Die Anströmung auf die Schaufel 21 erfolgt in radialer Richtung
bezüglich einer Rotationsachse des Laufrads 2. Nach Durchströmung des Schaufelkanals
20 gelangt das Arbeitsmedium in einen Zwischenbereich 29 zwischen einem Schaufelkanalaustritt
und einem dem Laufrad 2 nachgeschalteten Austrittskanal 40. In dem Zwischenbereich
29 nach dem Schaufelkanalaustritt und einem Diffusorkanaleintritt sind erfindungsgemäß
der erste Leitkörper 3" und der zweite Leitkörper 3 positioniert, wobei beide Leitkörper
bevorzugt auch abschnittsweise aus dem Zwischenbereich heraus in den Austrittskanal
40 ragen können.
[0053] Gemäß der Fig. 5a umfasst der erste Leitkörper 3" neben einem ebenfalls gitterförmigen,
insbesondere mit radialen Speichen versehenen, durchströmbaren Befestigungsring 34
zwei kreisringförmige Umlenkelemente 31 und 32, wobei in alternativen Ausführungsbeispielen
mehr als zwei Umlenkelemente verwendbar sind. Alternativ kann auch ein einzelnes kreisringförmiges
Umlenkelement 31 vorgesehen sein. Die kreisringförmigen Umlenkelemente 31, 32 sind
bevorzugt zusammen mit dem Befestigungsring 34 einstückig ausgeführt und bilden so
den ersten Leitkörper 3", der auch als Strömungsgitter bezeichnet werden kann. Der
so aufgebaute erste Leitkörper 3" wirkt mit dem zweiten Leitkörper 3 in Form des Laufradkegels
zusammen: Beide Leitkörper 3, 3" teilen zusammenwirkend den Zwischenbereich 29 des
Laufrads 2 zumindest abschnittsweise in voneinander separierte ringförmige Strömungskanäle
auf.
[0054] Das Arbeitsmedium wird unmittelbar nach den Schaufeln 21 durch die Umlenkelemente
31 und 32 des ersten Leitkörpers 3" dementsprechend mehrfach aufgeteilt und zum überwiegenden
Teil noch innerhalb des Schaufelrades 2 parallel zu dessen Rotationsachse gemäß eines
Richtungspfeils 53 gelenkt.
[0055] Der erste Leitkörper 3" erstreckt sich zwischen einer ersten 25 und einer zweiten
Kante 26 eines Umlenkelements 31 bzw. 32 und ist derart ausgebildet ist, dass die
erste Kante benachbart zum Schaufelkanalaustritt positioniert ist, wobei die zweite
Kante 26 benachbart zum Diffusorkanaleintritt 40 positioniert ist.
[0056] Das Umlenkelement 31, 32 ist derart ausgebildet, dass die erste Kante 25 als Anströmkante
dient und in radialer Richtung zur Rotationsachse des Laufrades 2 weist, wobei die
zweite Kante 26 eine Abströmkante ist und in die gleiche Richtung wie die Rotationsachse
weist, so dass das aus dem Schaufelkanal 20 ausströmende Arbeitsmedium von einer radialen
in eine näherungsweise axiale Richtung umgelenkt wird. Dabei weisen beide Umlenkelemente
31, 32 jeweils eine dem Laufrad 2 zugewandte und eine dem Laufrad 2 abgewandte Seite
auf. Die Umlenkelemente 31, 32 sind insbesondere derart positioniert, dass sie vom
Arbeitsmedium beidseitig umströmbar sind.
[0057] Infolgedessen wird das Arbeitsmedium nach dessen Austritt aus dem Schaufelkanal 20
derart in den Diffusorkanal 40 umgelenkt, dass ein Entlangströmen am Laufrad 2 optimiert
wird.
[0058] Die Umlenkelemente 31 und 32 des ersten Leitkörpers 3" weisen bevorzugt halbmondförmige
Querschnittskonturen auf, wobei deren Profil strömungsgünstig ausgestaltet ist. Die
zum Laufrad 2 weisende erste Kante (ringförmige Anströmkante) weist radial vom Zentrum
weg. Die auf der axialen Gegenseite befindliche zweite Kante (ringförmige Abströmkante)
weist von der Laufradbasis 2 weg. Die Krümmung des Profils der Umlenkelemente ist
so gestaltet, dass das Arbeitsmedium kontinuierlich parallel zur Rotationsachse des
Laufrads 2 umgelenkt wird.
[0059] Werden bei dem Leitkörper 3" mehrere ringförmige Umlenkelemente 31, 32 verwendet,
so weisen die Abströmkanten dieser Umlenkelemente 31, 32 unterschiedliche Durchmesser
bezüglich der Rotationsachse des Laufrads 2 auf, während es zweckmäßig ist, dass die
Anströmkanten den gleichen Durchmesser bezüglich einer Rotationsachse des Laufrads
2 besitzen. Vorzugsweise sind die Anströmkanten möglichst dicht an den Austrittskanten
der Schaufeln 21 positioniert. Hierzu ist es sinnvoll, dass die (im Wesentlichen gleichen)
Durchmesser der Anströmkanten der Umlenkelemente 31, 32 einen Durchmesser aufweisen,
der weniger als 10% kleiner ist als der Durchmesser desjenigen Kreises, den alle Austrittskanten
der Schaufeln berühren.
[0060] Gemäß Fig. 5a weist jede Schaufel 21 am Schaufelkanalaustritt innerhalb des Laufrads
2 eine Schaufelhöhe 60 auf. Ein erster axialer Abstand 61 zwischen einer Oberfläche
der Laufradbasis und der Anströmkante des (ersten) Umlenkelements 31 ist dabei kleiner
als ein axialer Abstand zwischen der Anströmkante des (zweiten) Umlenkelements 32
und derselben Oberfläche der Laufradbasis, so dass zwischen den Anströmkanten beider
Umlenkelemente 31, 32 ein axialer Abstand 62 vorhanden ist. Außerdem ist die Anströmkante
des Umlenkelements 32 zur Bandage 22 durch einen axialen Abstand 63 beabstandet angeordnet.
[0061] Ferner sind die zueinander benachbarten Umlenkelemente 31,32 derart positioniert,
dass deren Abströmkanten 26 einen unterschiedlichen radialen Abstand bezüglich der
Rotationsachse des Laufrads 2 aufweisen. Außerdem weisen die zu den Schaufeln des
Laufrades weisenden Anströmkanten in axialer Richtung einen unterschiedlich axialen
Abstand 61 bzw. Abstand 61+62 zur Laufradbasis auf.
[0062] Das Laufrad 2 ist der rotierende Teil der Strömungsmaschine bzw. der Radialturbine,
der dem strömenden Arbeitsmedium Arbeit entzieht bei Verwendung der Strömungsmaschine
als Turbine. Das Laufrad 2 ist mit einer nicht dargestellten Welle verbunden, über
die erzeugte mechanische Energie abgeführt wird.
[0063] In dem Leitkörper 3 nachgeschalteten Diffusor 4 wird durch Erweiterung des Strömungsquerschnitts
die Gasströmung verlangsamt und der statische Gasdruck erhöht. Der Diffusor 4 stellt
im Prinzip die Umkehrung einer Düse dar.
[0064] Eine in Fig. 5a gezeigte Bandage 22 ist an den Schaufeln 21 angeordnet und dient
dazu, das Laufrad 2 zu stabilisieren und in Form zu halten.
[0065] Der Leitkörper 3 bzw. die Umlenkelemente 31 bzw. 32 werden über Stege 33 vorzugsweise
mit dem Turbinengehäuse oder dem Diffusor 4 der Turbine verbunden, so dass die aufgrund
der Umlenkung des Arbeitsmediums wirkenden Kräfte nicht auf die Laufradwelle übertragen
werden. Der Leitkörper 3 ist das Gegenstück zum bewegten Laufrad 2, wobei der Leitkörper
3 vorzugsweise fest mit dem Gehäuse bzw. am Diffusor 4 über die Stege 33 ausgebildet
ist. Demnach bilden das Laufrad 2 und der Leitkörper 3 zusammen eine Stufe. Zur Befestigung
der Umlenkelemente am Diffusor 4 ist ein Befestigungsring 34 des Leitkörpers 3 am
Diffusoreinlauf vorgesehen.
[0066] Es ist auch möglich, die Umlenkelemente 31 bzw. 32 an dem Laufrad 2 zu befestigen,
so dass diese dann mitrotieren. Alternativ kann ein Umlenkelement am Laufrad und ein
anderes am Gehäuse festgelegt sein.
[0067] Der Leitkörper 3" bzw. die Umlenkelemente 31 bzw. 32 in einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine
sind aus einem (Edel-)Stahl hergestellt und werden mit zerspanenden Bearbeitungsverfahren
gefertigt. Diese können allerdings grundsätzlich auch aus Metallguss (Aluminiumguss,
Stahlguss, Grauguss) hergestellt werden.
[0068] Vorzugsweise wird die Strömungsmaschine als Radialturbine in einer ORC-Anlage verwendet
zur Durchführung eines Organic-Rankine-Kreisprozesses.
[0069] Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird als Strömungsmaschine insbesondere auch
eine Turbinensystem bezeichnet, in dem ein dampfförmiges Arbeitsmedium unter einem
Druck einströmt, in einem feststehenden Düsensystem, auch mit Leitbeschaufelung, entspannt
und hierbei beschleunigt wird. Nach dem Düsensystem wird der Dampf darin durch ein
rotierendes Schaufelsystem umgelenkt, eventuell weiter entspannt und gibt dabei seine
Strömungsenergie über die Schaufeln an eine mit den Schaufeln verbundene bzw. gekoppelte
Welle ab. Von dieser Welle wird die mechanische Rotationsenergie danach zu der weiteren
Nutzung an einen Verbraucher oder eine Einrichtung für das Umwandeln von Energie übertragen.
Beispielsweise können durch die Welle Einrichtungen für das Umwandeln von Energie
in Form von Generatoren für die Stromerzeugung angetrieben werden.
[0070] Die Erfindung bewirkt mit einfachen und preiswerten Leitkörpern eine Effizienzerhöhung
von Radialturbinen. Mit einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine kann so der Wirkungsgrad
einer ORC-Anlage verbessert werden.
Bezugszeichenliste:
[0071]
- 1
- Düsenring
- 1,4,11
- Turbinengehäuse
- 2
- Laufrad
- 3, 3', 3"
- Leitkörper
- 4
- Diffusor
- 5
- Strömungsrichtung
- 6
- Abstände
- 10
- Düsenkanal
- 10
- Einströmungskanal
- 11
- Abdeckung der Düsen
- 20
- Schaufelkanal
- 21
- Schaufel
- 22
- Bandage an Schaufel
- 23
- Schaufelaustritt
- 24
- Eintrittsöffnung
- 25
- Kante
- 26
- Kante
- 27
- Rotationsachse
- 28
- Leitkontur
- 29
- Zwischenbereich innerhalb des Laufrads
- 30
- Kanal zwischen den Leitkörpern
- 31,32
- Umlenkelemente
- 33
- Verbindungssteg zwischen den Leitkörpern und der Befestigung
- 33
- Steg
- 34
- Befestigungsring der Leitkörper am Diffusoreinlauf
- 40
- Kanal im Diffusor
- 40
- Austrittskanal
- 40
- Diffusorkanaleintritt
- 40
- Diffusorkanal
- 42
- Strömung zwischen den Schaufeln des Laufrads
- 42,51
- Richtungspfeil
- 51
- Strom
- 51
- Strömung im Düsenkanal
- 52
- Strömung im Schaufelkanal
- 53
- Strömung zwischen den Leitkörpern
- 53
- Pfeilrichtung
- 54
- Wirbel
- 54
- Strömungsablösung im Diffusor
- 60
- Schaufelhöhe am Schaufelkanalaustritt des Laufrads
- 61,62,63
- Axialer Abstand
- 61
- Axialer Abstand zwischen Laufradscheibe und Umlenkelement
- 62
- Axialer Abstand zwischen beiden Umlenkelementen
- 63
- Axialer Abstand zwischen Leitkörper 2 und dem Schaufelkopf bzw. der Bandage
- 100
- Düsenkanal
- 110
- Turbinengehäuse
- 120
- Turbinenrad, Laufrad
- 121
- Schaufel
- 151
- Richtungspfeil
- 153
- Arbeitsmediumaustritt
1. Radialturbine mit einem Gehäuse (1, 4, 11), das einen Gehäusekanal (10) für das Einströmen
von Arbeitsmedium aufweist und einen Diffusor (4) mit einem Kanal (40) für das Ausströmen
von Arbeitsmedium umfasst, wobei in dem Gehäuse (1, 4, 11) ein an einer um eine Rotationsachse
(27) drehbaren Laufradwelle aufgenommenes Laufrad (2) positioniert ist, wobei an dem
Laufrad mehrere Schaufeln (21) angeordnet sind, die Schaufelkanäle (20) bilden, die
eine der Rotationsachse (27) zugewandte Schaufelkanalöffnung (23) für das Durchströmen
von Arbeitsmedium zu dem Kanal (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium haben, wobei
der Kanal (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium eine laufradseitige Öffnung (24)
hat, wobei das Arbeitsmedium durch einen von der Schaufelkanalöffnung (23) der Schaufelkanäle
(20) zu der laufradseitigen Öffnung (24) des Kanals (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium
erstreckten Zwischenbereich (29) geführt ist, und wobei für das Umlenken von durch
den Zwischenbereich (29) strömendem Arbeitsmedium ein Leitkörper (3', 3") vorgesehen
ist, der aus dem Zwischenbereich (29) in den Kanal (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium
erstreckt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gehäusekanal (10) für das Einströmen von Arbeitsmedium eine Engstelle hat und
laufradseitig erweitert ist, damit das eingeströmte Arbeitsmedium Überschallgeschwindigkeit
erreichen kann, und der Leitkörper (3', 3") zu der Rotationsachse (27) des Laufrades
(2) koaxial angeordnet ist und wenigstens ein zu der Rotationsachse (27) des Laufrades
(2) koaxial angeordnetes ringförmiges Umlenkelement (31, 32) mit einer in dem Zwischenbereich
(29) angeordneten spitz zulaufenden ringförmigen Anströmkante (25) und mit einer in
dem Kanal (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium angeordneten spitz zulaufenden
ringförmigen Abströmkante (26) aufweist, wobei das Umlenkelement (31, 32) auf einer
der Rotationsachse (27) zugewandten Seite und einer der Rotationsachse (27) abgewandten
Seite beidseitig von Arbeitsmedium umströmbar ist.
2. Radialturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitkörper (3', 3") an dem Gehäuse (1, 4, 11) festgelegt ist.
3. Radialturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (2) für das Umlenken von Arbeitsmedium einen Laufradkegel (3) hat, der
in den Leitkörper (3', 3") ragt.
4. Radialturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufradkegel (3) als ein Rotationshyperboloid gestaltet ist.
5. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium nach Art eines Diffusors auf
der dem Laufrad (2) abgewandten Seite erweitert ist.
6. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium auf das Laufrad (2) über den Gehäusekanal (10) in radialer Richtung
zu der Rotationsachse (27) des Laufrads (2) strömt.
7. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anströmkante (25) des Umlenkelements (31, 32) benachbart zu der Öffnung (23)
der Schaufelkanäle (20) positioniert ist und die Abströmkante (26) benachbart zu der
laufradseitigen Öffnung (24) des Kanals (40) für das Ausströmen von Arbeitsmedium
angeordnet ist.
8. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (31, 32) eine Leitkontur (28) aufweist, die sich von der Anströmkante
(25) aus einer zu einer Rotationsachse (27) des Laufrades (2) radialen Richtung zu
der Abströmkante (26) in eine zu der Rotationsachse (27) des Laufrades (2) axiale
Richtung erstreckt, um aus einem der Schaufelkanäle (20) zu dem Kanal (40) für das
Ausströmen von Arbeitsmedium strömendes Arbeitsmedium aus der radialen in die axiale
Richtung umzulenken.
9. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitkörper (3") mehrere voneinander beabstandete Umlenkelemente (31, 32) aufweist,
die jeweils eine Anströmkante (25) und eine Abströmkante (26) haben und die zusammen
ein durchströmbares Gitter bilden, in dem der Gesamtstrom des Arbeitsmediums in mehrere
ringförmige Teilströme unterteilt wird.
10. Radialturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Umlenkelement (31, 32) eine halbmondförmige Querschnittsgeometrie
aufweist.
11. Radialturbine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten Umlenkelemente (31, 32) derart positioniert sind, dass
deren den Schaufeln (21) des Laufrades (2) zugewandte Anströmkanten (25) in axialer
Richtung einen axialen Abstand (62) aufweisen.
12. Radialturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander beabstandeten Umlenkelemente (31, 32) derart positioniert sind, dass
deren Abströmkanten (26) einen unterschiedlichen radialen Abstand bezüglich der Rotationsachse
(27) des Laufrads (2) aufweisen.
13. Radialturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand der Anströmkanten (25) von der Rotationsachse (27) des Laufrads
(2) größer ist als der radiale Abstand der Abströmkanten (26) von der Rotationsachse
(27) des Laufrads (2).
14. Radialturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an einer mit dem Laufrad (2) verbundenen Welle mehrere Permanentmagneten und/oder
Rotorwicklungen angeordnet sind, die mit mehreren benachbart angeordneten, die Welle
umgreifenden Statorwicklungen einen elektrischen Generator bilden.
15. Verwendung einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildeten Radialturbine in
einem Organic-Rankine-Kreisprozess.
16. Anlage zur Durchführung eines Organic-Rankine-Kreisprozesses mit einem Kondensator
zur Verflüssigung eines in der Anlage umgewälzten Arbeitsmediums, einer Pumpe, einem
Verdampfer zur Verdampfung des Arbeitsmediums sowie einer dem Verdampfer nachgeschalteten
Radialturbine, insbesondere einer Turbine, in der das Arbeitsmedium unter Entnahme
von Energie aus dem Kreislauf entspannt wird, wobei die Radialturbine nach einem der
Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt ist.
1. Radial turbine having a housing (1, 4, 11) which has a housing duct (10) for the inflowing
of working medium and comprises a diffusor (4) having a duct (40) for the outflowing
of working medium, wherein in the housing (1, 4, 11) there is positioned an impeller
(2) mounted on an impeller shaft which is able to rotate about a rotation axis (27),
there being arranged on the impeller multiple blades (21) which form blade ducts (20)
which have a blade duct opening (23), oriented towards the rotation axis (27), for
the through-flowing of working medium to the duct (40) for the outflowing of working
medium, wherein the duct (40) for the outflowing of working medium has an impeller-side
opening (24), wherein the working medium is guided through an intermediate region
(29) extending from the blade duct opening (23) of the blade ducts (20) to the impeller-side
opening (24) of the duct (40) for the outflowing of working medium, and wherein there
is provided, for redirecting working medium flowing through the intermediate region
(29), a guiding body (3', 3'') which extends from the intermediate region (29) into
the duct (40) for the outflowing of working medium, characterized in that
the housing duct (10) for the inflowing of working medium has a throat and is widened
on the impeller side so that the introduced working medium can reach supersonic speeds,
and the guiding body (3', 3") is arranged coaxially with the rotation axis (27) of
the impeller (2) and has at least one annular redirection element (31, 32), arranged
coaxially with the rotation axis (27) of the impeller (2), with a sharp annular leading
edge (25) arranged in the intermediate region (29) and with a sharp annular trailing
edge (26) arranged in the duct (40) for the outflowing of working medium, wherein
working medium can flow either side of the redirection element (31, 32), on a side
facing the rotation axis (27) and a side facing away from the rotation axis (27).
2. Radial turbine according to Claim 1, characterized in that the guiding body (3', 3") is secured on the housing (1, 4, 11).
3. Radial turbine according to Claim 1 or 2, characterized in that the impeller (2) has, for redirecting working medium, an impeller cone (3) that projects
into the guiding body (3', 3'').
4. Radial turbine according to Claim 3, characterized in that the impeller cone (3) is in the form of a hyperboloid of revolution.
5. Radial turbine according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the duct (40) for the outflowing of working medium is widened on the side facing
away from the impeller (2) in the manner of a diffusor.
6. Radial turbine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the working medium flows on the impeller (2) via the housing duct (10) in the radial
direction towards the rotation axis (27) of the impeller (2).
7. Radial turbine according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the leading edge (25) of the redirection element (31, 32) is positioned adjacent
to the opening (23) of the blade ducts (20), and the trailing edge (26) is arranged
adjacent to the impeller-side opening (24) of the duct (40) for the outflowing of
working medium.
8. Radial turbine according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the redirection element (31, 32) has a guiding contour (28) that extends from the
leading edge (25), from a direction radial to a rotation axis (27) of the impeller
(2), to the trailing edge (26), in a direction axial to the rotation axis (27) of
the impeller (2), in order to redirect, from the radial direction into the axial direction,
working medium flowing from one of the blade ducts (20) to the duct (40) for the outflowing
of working medium.
9. Radial turbine according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the guiding body (3'') has multiple redirection elements (31, 32) which are spaced
apart from one another, which each have a leading edge (25) and a trailing edge (26),
and which together form a through-flowable cascade in which the total flow of the
working medium is split into multiple annular part flows.
10. Radial turbine according to Claim 9, characterized in that at least one redirection element (31, 32) has a crescent-shaped cross-sectional geometry.
11. Radial turbine according to Claim 9 or 10, characterized in that the mutually spaced-apart redirection elements (31, 32) are positioned such that
their leading edges (25) oriented towards the blades (21) of the impeller (2) have
an axial spacing (62) in the axial direction.
12. Radial turbine according to one of Claims 9 to 11, characterized in that the mutually spaced-apart redirection elements (31, 32) are positioned such that
their trailing edges (26) have a different radial spacing with respect to the rotation
axis (27) of the impeller (2).
13. Radial turbine according to Claim 12, characterized in that the radial spacing of the leading edges (25) from the rotation axis (27) of the impeller
(2) is greater than the radial spacing of the trailing edges (26) from the rotation
axis (27) of the impeller (2).
14. Radial turbine according to one of Claims 1 to 13, characterized in that on a shaft connected to the impeller (2) there are arranged multiple permanent magnets
and/or rotor windings which, together with multiple stator windings arranged adjacently
and surrounding the shaft, form an electric generator.
15. Use of a radial turbine formed according to one of Claims 1 to 14 in an organic Rankine
cycle.
16. Plant for carrying out an organic Rankine cycle, having a condenser for liquefying
a working medium circulated in the plant, a pump, an evaporator for evaporating the
working medium and a radial turbine connected downstream of the evaporator, in particular
a turbine in which the working medium is expanded, thereby extracting energy from
the circuit, wherein the radial turbine is designed according to one of Claims 1 to
14.
1. Turbine radiale avec une carcasse (1, 4, 11), qui présente un canal de carcasse (10)
pour l'entrée de fluide de travail et un diffuseur (4) avec un canal (40) pour la
sortie de fluide de travail, dans laquelle une roue mobile (2) montée sur un arbre
de roue mobile pouvant tourner autour d'un axe de rotation (27) est positionnée dans
la carcasse (1, 4, 11), dans laquelle plusieurs aubes (21) sont disposées sur la roue
mobile, qui forment des canaux d'aube (20), qui ont une ouverture de canal d'aube
(23) tournée vers l'axe de rotation (27) pour l'écoulement de fluide de travail vers
le canal (40) pour la sortie de fluide de travail, dans laquelle le canal (40) pour
la sortie de fluide de travail présente une ouverture côté roue mobile (24), dans
laquelle le fluide de travail est guidé par une région intermédiaire (29) s'étendant
de l'ouverture de canal d'aube (23) des canaux d'aube (20) à l'ouverture côté roue
mobile (24) du canal (40) pour la sortie de fluide de travail, et dans laquelle il
est prévu pour la déviation de fluide de travail s'écoulant à travers la région intermédiaire
(29) un corps de guidage (3', 3"), qui s'étend hors de la région intermédiaire (29)
dans le canal (40) pour la sortie de fluide de travail,
caractérisée en ce que le canal de carcasse (10) pour l'entrée de fluide de travail présente un étranglement
et est élargi côté roue mobile, afin que le fluide de travail entré puisse atteindre
une vitesse supersonique, et le corps de guidage (3', 3") est disposé de façon coaxiale
à l'axe de rotation (27) de la roue mobile (2) et présente au moins un élément de
déviation annulaire (31, 32) disposé de façon coaxiale à l'axe de rotation (27) de
la roue mobile (2) avec une arête d'entrée annulaire (25) se terminant en pointe disposée
dans la région intermédiaire (29) et avec une arête de sortie annulaire (26) se terminant
en pointe disposée dans le canal (40) pour la sortie de fluide de travail, dans laquelle
l'élément de déviation (31, 32) peut être balayé sur les deux côtés par le fluide
de travail sur un côté tourné vers l'axe de rotation (27) et sur un côté détourné
de l'axe de rotation (27).
2. Turbine radiale selon la revendication 1,
caractérisée en ce que le corps de guidage (3', 3") est fixé à la carcasse (1, 4, 11).
3. Turbine radiale selon la revendication 1 ou 2,
caractérisée en ce que la roue mobile (2) comporte un cône de roue mobile (3), qui pénètre dans le corps
de guidage (3', 3") pour la déviation de fluide de travail.
4. Turbine radiale selon la revendication 3,
caractérisée en ce que le cône de roue mobile (3) est configuré en hyperboloïde de révolution.
5. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le canal (40) pour la sortie de fluide de travail est élargi à la manière d'un diffuseur
sur le côté détourné de la roue mobile (2).
6. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le fluide de travail s'écoule sur la roue mobile (2) via le canal de carcasse (10)
en direction radiale par rapport à l'axe de rotation (27) de la roue mobile (2).
7. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'arête d'entrée (25) de l'élément de déviation (31, 32) est positionnée à proximité
de l'ouverture (23) des canaux d'aube (20) et l'arête de sortie (26) est disposée
à proximité de l'ouverture côté roue mobile (24) du canal (40) pour la sortie de fluide
de travail.
8. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'élément de déviation (31, 32) présente un contour de guidage (28), qui s'étend
depuis l'arête d'entrée (25) à partir d'une direction radiale par rapport à l'axe
de rotation (27) de la roue mobile (2) jusqu'à l'arête de sortie (26) dans une direction
axiale par rapport à l'axe de rotation (27) de la roue mobile (2), pour dévier de
la direction radiale à la direction axiale un fluide de travail s'écoulant hors d'un
des canaux d'aube (20) vers le canal (40) pour la sortie de fluide de travail.
9. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le corps de guidage (3") présente plusieurs éléments de déviation (31, 32) espacés
l'un de l'autre, qui comportent chacun une arête d'entrée (25) et une arête de sortie
(26) et qui forment ensemble une grille pouvant être traversée, dans laquelle le courant
total du fluide de travail est divisé en plusieurs courants partiels annulaires.
10. Turbine radiale selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'au moins un élément de déviation (31, 32) présente une géométrie de section transversale
en forme de demi-lune.
11. Turbine radiale selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que les éléments de déviation espacés l'un de l'autre (31, 32) sont positionnés de telle
manière que leurs arêtes d'entrée (25) tournées vers les aubes (21) de la roue mobile
(2) présentent en direction axiale une distance axiale (62).
12. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que les éléments de déviation espacés l'un de l'autre (31, 32) sont positionnés de telle
manière que leurs arêtes de sortie (26) présentent une distance radiale différente
par rapport à l'axe de rotation (27) de la roue mobile (2) .
13. Turbine radiale selon la revendication 12,
caractérisée en ce que la distance radiale des arêtes d'entrée (25) par rapport à l'axe de rotation (27)
de la roue mobile (2) est plus grande que la distance radiale des arêtes de sortie
(26) par rapport à l'axe de rotation (27) de la roue mobile (2).
14. Turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que plusieurs aimants permanents et/ou enroulements de rotor, qui forment un générateur
électrique avec plusieurs enroulements de stator entourant l'arbre disposés à proximité,
sont disposés sur un arbre assemblé à la roue mobile (2).
15. Utilisation d'une turbine radiale selon l'une quelconque des revendications 1 à 14
dans un cycle organique de Rankine.
16. Installation pour l'exécution d'un cycle organique de Rankine avec un condenseur pour
liquéfier un fluide de travail circulant dans l'installation, une pompe, un évaporateur
pour l'évaporation du fluide de travail et une turbine radiale placée en aval de l'évaporateur,
en particulier une turbine, dans laquelle le fluide de travail est détendu en prélevant
de l'énergie dans le circuit, dans laquelle la turbine radiale est réalisée selon
l'une quelconque des revendications 1 à 14.