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Title:
CASCADE TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/025635
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a turbine (1) that has a housing (101) and a module (13, 15) which is arranged in the housing (102) and has a multistage design and which has an impeller assembly and a diffuser assembly. The diffuser assembly has a plurality of diffusers (10) which are rigidly connected to the housing (101) and comprise diffuser blades (100), and the impeller assembly has a shaft (110), which rotates about a rotational axis (x), and a plurality of impellers (11) with turbine blades (111), at least some of said impellers (11) and diffusers (10) having at least one impeller ring blade (2) and diffuser ring blade (20), respectively, which are arranged concentrically to the rotational axis (x). The impeller ring blade and diffuser ring blade has an asymmetrical impeller and diffuser ring blade profile (22), respectively, with a suction side and a pressure side, wherein the suction sides of the diffuser ring blade (20) and the impeller ring blade (2) are arranged opposite one another on the exterior or interior of the diffuser ring blade (20) and the impeller ring blade (20, 2), respectively.

Inventors:
GRIMM FRIEDRICH (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/070542
Publication Date:
February 06, 2020
Filing Date:
July 30, 2019
Export Citation:
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Assignee:
GRIMM FRIEDRICH (DE)
International Classes:
F01D5/22; F01D1/04
Domestic Patent References:
WO2006038879A12006-04-13
WO2017184138A12017-10-26
Foreign References:
US8753087B22014-06-17
GB719236A1954-12-01
US20090047132A12009-02-19
CH509502A1971-06-30
CH700013B12010-06-15
DE10257044A12004-07-08
DE19858702B42004-07-01
DE102014206216B42016-12-29
US20090047132A12009-02-19
EP2743453A12014-06-18
EP3187688A12017-07-05
Attorney, Agent or Firm:
RAIBLE DEISSLER LEHMANN PATENTANWÄLTE (DE)
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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.

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