Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator und einem Strömungskanal.

Es sind Strömungsmaschinen bekannt, beispielsweise konventio- nelle Dampfturbinen oder Gasturbinen, bei deren Bauformen üb- licherweise die Energieumwandlung mittels sogenannten Schau- felgittern oder Schaufelrädern erfolgt, die bei Durchströmen der Strömungsmaschine mit einem Aktionsfluid, z. B. Dampf oder Heißgas, den Rotor der Strömungsmaschine antreiben. Die dabei zum Einsatz kommenden Schaufelgitter haben die Funktion, in dem strömenden Aktionsfluid Druckenergie in kinetische Ener- gie umzuwandeln sowie kinetische Energie in mechanische Ener- gie umzusetzen. Diese Schaufelgitter werden üblicherweise als am Rotor befestigte Laufschaufelgitter oder als Leitschaufel- gitter im Gehäuse ausgeführt.

Für die Auslegung derartiger Schaufelgitter ist insbesondere bei hohen Temperaturen des durch den Strömungskanal strömen- den Aktionsfluids neben der Strömungsoptimierung insbesondere die Festigkeit, beispielsweise von Schaufel und Schaufelbefe- stigung, zu beachten. Besondere Bedeutung besitzt dabei, dass die Festigkeitskennwerte der eingesetzten Hochtemperatur- Werkstoffe mit hohen Temperaturen deutlich abnehmen. Eine hö- here Prozesstemperatur wird aber generell angestrebt, da hiermit eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades der Strömungsmaschine verbunden ist. Dieser Einfluss der ho- hen Betriebstemperatur auf die Festigkeitskennwerte der ein- gesetzten Werkstoffe gilt ebenfalls für die Rotoren thermi-

scher Turbomaschinen. Hierbei ist neben den Schaufeln der Ro- tor eines der höchst beanspruchtesten Bauteile, insbesondere da er bei Vorhandensein hoher Materialtemperaturen erhebli- chen Fliehkräften ausgesetzt ist. Rotorfliehkräfte wirken da- bei sowohl auf die Rotorwelle als auch auf die Laufschaufeln, die an der Umfangsfläche der Rotorwelle angeordnet sind. Dar- über hinaus sind weitere Hochtemperatur-Einwirkungen auf Schaufeln oder Rotoren zu verzeichnen. Beispielhaft sei hier etwa auf die Hochtemperatur-Korrosion oder-Oxidation hinge- wiesen. Schaufeln für extrem hohe Anwendungstemperaturen, wie beispielsweise Gasturbinenschaufeln, werden daher teilweise aus einkristallinen Werkstücken hergestellt und bedürfen auf- grund der hohen Temperaturen des Aktionsfluids, z. B. des Heißgases, eines erheblichen Kühlungsbedarfs. Dazu wird ein Kühlmittelmassenstrom bereitgestellt, welcher im Falle einer Gasturbine beispielsweise einem der Gasturbine vorgeschalte- ten Verdichter als Verdichterentnahmeluft entnommen wird, die durch ein kompliziertes Kanal-und Bohrungssystem im Inneren einer Hohlschaufel zur Kühlung der Schaufel geführt wird (Drall-, Prall oder Filmkühlung). Zusätzlich benötigen derar- tige Schaufeln für den Hochtemperatureinsatz in heißen, ag- gressiven Medien Wärmedämmschichten für die Wärmeisolation sowie Korrosionsschutzschichten. Dabei sind bei Gasturbinen Turbineneinsatztemperaturen des Heißgases von 1200 °C und darüber hinaus möglich. Bei Dampfturbinen betragen die typi- schen Prozessdaten etwa zwischen 540 °C bis 600 °C für die Frischdampftemperatur bei etwa 250 bis 300 bar Frischdampf- druck des einer konventionellen Hochdruck-Teilturbine zuge- führten Dampfes.

Die Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie sowie kinetische Energie in mechanische Energie unter Verwendung von Leitschaufelgittern und Laufschaufelgittern mit einer konventionellen Beschaufelung weisen daher gewisse Nachteile auf. Die Schaufeln besitzen naturgemäß fertigungsbedingt eine gewisse Wandstärke bzw. Dicke, die den effektiven Strömungs- querschnitt des Strömungskanals reduzieren. Dieser Effekt

wird auch als Versperrungseffekt bezeichnet. Des Weiteren kann durch die endliche Schaufelzahl keine optimale homogene Umlenkung des Aktionsfluids erfolgen. Daneben besitzen Schau- felgitter einen Strömungswiderstand, d. h. es bilden sich Grenzschichten an den Schaufeln aus, die zu Sekundärverlusten in den nachfolgenden Schaufelgittern führen und beispielswei- se bei Verdichtern in Verbindung mit einer zusätzlichen Fehl- anströmung im Extremfall sogar eine Versperrung verursachen können. Wie bereits weiter oben diskutiert, sind aufgrund des Einsatzes von hochwertigen Hochtemperatur-Werkstoffen wegen der erhöhten Material und Fertigungskosten Schaufeln für den Einsatz in Hochtemperatur-Anwendungen sehr teuer und in ihrer Festigkeit begrenzt. Aufgrund der Festigkeitsgesichtspunkte bei den hohen Fliehkraftbelastungen von Laufschaufeln ist die Höhe der Schaufeln, d. h. die maximale Schaufelblattlänge, be- grenzt. Im Falle eines Versagens einer Schaufel, beispiels- weise infolge eines Ablösens vom Rotor aufgrund einer Über- schreitung der maximal zulässigen Fliehkraftbelastung, können erhebliche Folgeschäden in der Strömungsmaschine auftreten.

So können z. B. in einer axialen Strömungsmaschine insbesonde- re die in Strömungsrichtung des Aktionsfluids angeordneten nachfolgenden Schaufelgitter zerstört werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Beschaufelungen ist auf die stets auf- tretenden Spaltverluste zurückzuführen. Spaltmassenströme von Aktionsfluid, die zwischen einer Schaufel und einem der Schaufel unter Bildung eines Spalts gegenüberliegenden Bau- teil hindurchtreten, resultieren in einem Wirkungsgradverlust (Spaltverlust). Um die Verluste möglichst gering zu halten müssen die Spaltmassenströme durch enge, fertigungstechnisch sehr aufwendig sicherzustellende Spiele begrenzt werden. Da- bei darf ein minimales Spiel aus Gründen der Betriebssicher- heit der Strömungsmaschine nicht unterschritten werden. Der- artige Spaltverluste wurden beispielsweise in der Dissertati- on von Helmut Pollak"Experimentelle Untersuchungen der Strö- mungsvorgänge in axialen Kaltluftturbine unter besonderer Be- rücksichtigung der Radialspaltströme und ihre Einflussparame- ter", Rheinisch/Westfälische Hochschule, Aachen, untersucht.

In dem Buch"Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler, regene- rativer und nuklearer Energiequellen"von K. Straus, 4. Auf- lage, Berlin, Heidelberg, Springer Verlag, 1998, Seite 363- 370, sind magnetohydrodynamische Energiewandler sowie Kraft- werkskonzepte auf der Basis der magnetohydrodynamischen Ener- gieumwandlung beschrieben. Das magnetohydrodynamische Prinzip als solches ist seit langem bekannt und wurde in der vorge- nannten Literaturstelle bereits in Konzepte für Kraftwerke, sogenannte"MHD-Kraftwerke", eingebracht. Grundlage der ma- gnetohydrodynamischen Energieumwandlung (MHD) ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion das auch bei der konventio- nellen Dynamomaschine genutzt wird. Nach diesem Prinzip wird in einem elektrisch leitenden Material eine Spannung indu- ziert, wenn sich dieses relativ zu einem Magnetfeld bewegt.

Bei einem MHD-Generator strömt ein elektrisch leitendes Fluid durch das Magnetfeld. Infolge der Wirkung des Magnetfeldes kommt es in dem Fluid zu einer Separation ungleichnamiger La- dungen und damit zur direkten Umwandlung von potentieller Energie des Plasmas in elektrischen Strom. Die elektrische Leitfähigkeit ist dabei eine besonders wichtige Eigenschaft des Arbeitsmittels in MHD-Generatoren. Will man die Rauchgase aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe als Arbeitsmittel verwenden, müssen diese im Plasmazustand vorliegen, um elek- trisch leitend zu sein. Die atomaren Bindungen der Elektronen mit den Kernen sind in diesem Zustand aufgebrochen-das Gas besteht dann vorwiegend aus freien Elektronen und positiv ge- ladenen Ionen. Die teilweise Ionisierung eines Gases erreicht man durch Erhitzen auf sehr hohe Temperaturen von größer als 2000 °C. Aus praktischen Gründen sollte die Leitfähigkeit mindestens 10 S/m betragen. In Verbrennungsgasen erreicht man solche Werte in dieser Größenordnung nur bei Temperaturen von 2000 bis 2500 °C unter Zusatz von leicht ionisierbarem Mate- rialien wie Cäsium oder Kalium. Aufgrund des für ein MHD- Kraftwerk vorgesehenen Funktionsprinzips konnten diese Kraft- werkskonzepte allerdings nicht bis zur Einsatzreife entwik- kelt werden.

Das Prinzip des MHD-Generators nach diesem Konzept ist es, durch eine Verbrennung mit stark erhitzter Verbrennungsluft in einer druckführenden Brennkammer den Plasmazustand, einen Zustand, in dem positive Ionen und Elektronen im Gas vorlie- gen, zu erzeugen. Das heiße Plasma tritt beim Austritt aus der Kammer in einen sogenannten Diffusor ein. In diesen Dif- fusor werden die positiven Ionen und die Elektronen durch ein Magnetfeld zu unterschiedlichen Elektroden hin abgelenkt, wo die Elektronen absorbiert werden und die Ionen durch die Auf- nahme von Elektronen ihre Ladung verlieren. Auf diese Weise wird direkt ein Ladungsfluss bewirkt, d. h. ein Strom erzeugt.

Nach dem Austritt aus dem MHD-Generator ist das Gas immer noch sehr heiß, etwa 2300 K. Zur weiteren Ausnutzung dieser in dem heißen Gas verfügbaren Wärmeenergie wird mittels Wär- metauschern die zuströmende Verbrennungsluft auf ca. 2100 K vorgewärmt. Die verbleibende Wärmeenergie wird durch konven- tionelle Abhitzekessel einem nachgeschalteten Dampfprozess zugeführt. Dieses Konzept ist mit erheblichen Problemen be- haftet, die seiner praktischen großtechnischen Umsetzung bis- her entgegenstehen : So muss beispielsweise zur Erzielung eines Plasmas bei 2500 K, wie bereits oben beschrieben, das Gas mit leicht ionisier- baren Stoffen (Kalium, Cäsium) geimpft werden. Diese Alkali- metalle sind teuer und nur schwierig handhabbar. Überdies führen sie zur Verschmutzung und korrosiven Angriff der Wär- metauscherflächen, wie sie im Lufterhitzer und im Abhitzekes- sel vorgesehen sind. Weiterhin stellen die extrem hohen Tem- peraturen zur Erzielung des Plasmazustands erhebliche Heraus- forderungen an den MHD-Generator hinsichtlich geeigneter Hochtemperaturwerkstoffe. Davon betroffen sind auch Komponen- ten des Diffusors und der Wärmetauscher. Weiterhin muss man feststellen, dass der erreichbare Wirkungsgrad der derzeit bekannten und eingesetzten GUD-Kraftwerke inzwischen so hoch ist, dass eine große Wirkungsgradsteigerung mit der Technolo- gie der MHD-Generatoren nur sehr schwierig zu erreichen wird.

Insofern konkurriert die Vorschaltung eines-technisch schwierig zu realisierenden-MHD-Generators vor den Dampf- kraftprozess mit der Vorschaltung einer großtechnisch bereits bewährten und akzeptierten Gasturbine. Auf dem Weg zu einer kommerziellen MHD-Anlage sind aber auch außerhalb des eigent- lichen MHD-Generators schwierige Probleme zu lösen. Die mei- sten davon sind durch das hohe Temperaturniveau im Plasmaka- nal bedingt, für dessen Konstruktion alle bisher bekannten metallischen Werkstoffe ausscheiden. Auch bei den Elektroden haben Erosion, Korrosion und Wärmespannungen die Betriebszeit auf weniger als 1000 Std. begrenzt. Trotz einer intensiven Forschung ist daher die kommerzielle Realisierung einer MHD- Anlage derzeit nicht abzusehen.

In einer zusammenfassenden Würdigung der bisher bekannten Konzepte kann man sagen, dass bei konventionellen Gasturbinen und Dampfturbinen die Schaufeln und Rotor, neben Brennkammer- und Kesselbauteilen, zu den höchst beanspruchten Bauteilen derartiger Strömungsmaschinen zählen. Dabei ist insbesondere die Eintrittsbeschaufelung aufgrund der hohen Temperaturen des heißen Aktionsfluids besonders betroffen. Die Hochtempe- ratur-Festigkeit der Schaufelwerkstoffe begrenzt dabei mögli- che Einsatztemperaturen und erfordert zum Teil technisch auf- wendige Kühlungsmaßnahmen. Für die Hersteller von Gasturbinen und Dampfturbinen ist die Erhöhung der oberen Prozesstempera- tur jedoch ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Wirkungsgradstei- gerung. Sowohl im Bereich der Gasturbinen-als auch der Dampfturbinentechnologie sind zum Teil erhebliche Anstrengun- gen zur Anhebung der oberen Prozesstemperatur zu beobachten.

Demgegenüber findet der Einsatz des magnetohydrodynamischen Effekts in den oben beschriebenen MHD-Kraftwerken wegen der unzureichenden Realisierbarkeit, vor allem wegen des nachtei- ligen Wirkungsprinzips und der technologischen Schwierigkei- ten, bis heute keine großtechnische Anwendung.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Strömungsmaschine anzuge- ben, die die Nachteile der vorbeschriebenen bekannten Konzep-

te vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschine anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Strömungsmaschine mit einem Rotor und einem Stator, wo- bei ein Strömungskanal für ein Aktionsfluid gebildet ist, durch welches der Rotor antreibbar ist, wobei ein Magnet vor- gesehen ist, der zum Erzeugen eines vorgebbaren Magnetfelds im Strömungskanal dient.

Mit der Erfindung wird ein völlig neues Konzept für eine Strömungsmaschine beschrieben, bei der die Anwendung des ma- gnetohydrodynamischen Effektes zur Ablenkung des Strömungsme- diums innerhalb von Strömungsmaschinen anstelle von Schaufel- gittern erfolgt. Somit wird die Realisierung einer"MHD- Turbine"oder eines"MHD-Verdichters"möglich. Der magnetohy- drodynamische Effekt bewirkt eine Ablenkung von elektrisch geladenen Teilchen eines Strömungsmediums im Strömungskanal der Strömungsmaschine. Zur Erzeugung eines definierten magne- tischen Felds ist der Magnet vorgesehen, der geladene Teil- chen im Aktionsfluid gemäß der Lorenzkraft-Ablenkung ablenkt.

Bewegt man eine elektrische Ladung mit einer bestimmten Ge- schwindigkeit in einem vorgegebenen Magnetfeld, beschrieben durch die magnetische Induktion, so erfährt die elektrische Ladung eine Kraft. Diese Kraft steht immer senkrecht zur Ge- schwindigkeit. Geladene Teilchen im durch den Strömungskanal strömenden Aktionsfluid erfahren daher durch das von dem Ma- gneten erzeugte definierte Magnetfeld eine Ablenkung, sofern das Magnetfeld zumindest eine Komponente senkrecht zur Bewe- gungsrichtung der geladenen Teilchen, d. h. der Strömungs- richtung des Aktionsfluids, aufweist. Geladene Teilchen wer- den im Idealfall eines unendlich ausgedehnten homogenen Ma- gnetfelds auf eine Kreisbahn gezwungen. Bei Durcheilen eines endlichen, d. h. eines räumlich begrenzten Magnetfelds folgen die Teilchen somit einem Kreisbogen. Dieser Effekt wird gemäß der Erfindung ausgenutzt zur Ablenkung des Aktionsfluids selbst im Strömungskanal einer Strömungsmaschine. Durch den

Magneten ist ein sowohl zeitlich als auch räumlich definier- tes Magnetfeld in dem Strömungskanal erzeugbar, was zu einer definierten Ablenkung geladener Teilchen im Aktionsfluid und durch einen Mitnahmeeffekt infolge Impulstransfers eine Ab- lenkung des Aktionsfluids selbst führt. Die Ablenkung erfolgt dabei vorteilhafter Weise in Form von durch das Magnetfeld vorgegebenen definierten Ablenkungsebenen zwischen Rotor und Stator, welche in Hauptströmungsrichtung des Aktionsfluids, beispielsweise in axialer Richtung im Falle einer Axialma- schine, eine begrenzte Ausdehnung besitzen (Lokalisierung des Magnetfeldes). Die Bereitstellung einer magnetischen Ablen- kungsebene für die geladenen Teilchen bzw. das Aktionsfluid durch das Magnetfeld ist in ihrer Wirkung einem konventionel- len Schaufelgitter sehr ähnlich : Im Falle einer axialen Strö- mungsmaschine erfolgt beispielsweise eine Ablenkung von über- wiegend axialer Strömung des Aktionsfluids in einer Strömung mit sowohl axialer als auch tangentialer Komponente, dies aufgrund der Tatsache, dass aufgrund der Lorenzkraft den ge- ladenen Teilchen senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld eine tangentiale Komponente aufgeprägt wird. Diese Ablenkung ist mit einer Umwandlung von Druckenergie des Aktionsfluids in kinetische Energie, analog einem Leitgitter einer konventionellen Turbine, verbunden. In gleicher Weise ist es möglich von einer Strömung des Aktions- fluids mit axialer und tangentialer Komponente eine Umwand- lung in eine überwiegend axiale Strömung-unter Umwandlung kinetischer Energie in mechanische Arbeit, analog zu einem Laufgitter einer konventionellen Turbine-zu erzielen. Eine geeignete Magnetfeldkonfiguration mit räumlich und ggf. zeit- lich durch den Magneten erzeugten Magnetfeld in dem Strö- mungskanal erlaubt mithin analog zu konventionellen Turbinen eine fortschreitende Expansion des Aktionsfluids unter Gewin- nung von mechanischer Arbeit, die in Form von Rotationsener- gie auf den Rotor übertragbar ist.

Mit der Erfindung wird dabei vorteilhafter Weise die Funktion der Ablenkung des strömenden Aktionsfluids, die bei hohen

Temperaturen mittels konventioneller Schaufeln nur unter er- heblichen Kosten oder gar nicht realisiert werden kann, wei- terhin gewährleistet aber hier gegenüber der konventionellen Turbinentechnik durch ein magnetisches Feld oder durch magne- tische Felder erreicht. Dabei kombiniert die Erfindung in vorteilhafter Weise das bekannte Funktionsprinzip der konven- tionellen Strömungsmaschinen mit dem Ablenkungseffekt eines Magnetfelds auf geladene Teilchen. Zugleich können die spezi- fischen Nachteile des MHD-Kraftwerkskonzepts vermieden wer- den, weil für den Betrieb der Strömungsmaschine nicht zwin- gend eine thermische Erzeugung eines Plasmas bei extrem hohen Temperaturen erforderlich ist. Im Unterschied zu einem MHD- Generator wird auch nicht auf direkte Stromerzeugung durch Ladungsablenkung auf Elektroden zurückgegriffen, sondern bei der Expansion des Aktionsfluids in der Strömungsmaschine wird mechanische Energie in Form von Rotationsenergie des Rotors erzeugt. Dadurch ist es möglich, bei der Entwicklung neuer Gasturbinen-und Dampfturbinentechnologien mit dem Konzept der Strömungsmaschine deutlich höhere Prozesstemperaturen zu erreichen, was zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungs- grads der Turbinen führt. Die Anwendung einer neuen, vorteil- haften Funktionsweise für den Strömungsmaschinenbau ist da- durch möglich, wobei grundlegende Verbesserungen zu erwarten sind.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsmaschine weist der Stator den Magneten auf. Dabei ist es möglich den Magneten in den Stator zu integrieren, so dass das durch den Magneten erzeugte Magnetfeld in den Strömungskanal hinein- wirkt. Dabei ist es auch möglich, dass der Stator mehrere Ma- gneten aufweist, so dass das Magnetfeld räumlich im Strö- mungskanal entsprechend den Erfordernissen sehr genau einge- stellt werden kann. Im Falle einer Axialmaschine, bei der der Stator üblicherweise zugleich eine äußere Begrenzung des Strömungskanals bildet und zugleich als Außengehäuse der Strömungsmaschine fungieren kann, ist der Magnet vorteilhaf- ter Weise besonders gut zugänglich für eventuelle Wartungs-

oder Revisionsarbeiten oder für das Anbringen von Sensoren (z. B. Magnetfeldsensoren) zur Diagnostik der Strömungsmaschi- ne. Weiterhin kann das Statormaterial bei Wahl eines ferroma- gnetischen Stoffes zugleich zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte und damit des Magnetfelds in dem Strömungskanal verwendet werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Strömungsma- schine ist das Magnetfeld radial gerichtet und weist entlang der Rotationsachse des Rotors bezogen auf die radiale Rich- tung mindestens einen Vorzeichenwechsel auf.

Ein radiales Magnetfeld kann beispielsweise durch einen am Stator angebrachten Magneten erzeugt werden, wobei das Ma- gnetfeld sich radial einwärts durch den Strömungskanal in den Rotor hinein erstreckt. Durch den Vorzeichenwechsel der ra- dialen Magnetfeldkomponente entlang der Rotationsachse ist zumindest ein Bereich im Strömungskanal gegeben, in dem die Feldlinien des Magnetfelds beispielsweise vom Stator radial einwärts zum Rotor verlaufen und zumindest ein zweiter Be- reich im Strömungskanal, in dem Feldlinien aus dem Rotor aus- treten, sich radial auswärts durch den Strömungskanal er- strecken und in den Stator eintreten. In dem zweiten Bereich liegt somit bezogen auf die radiale Richtung ein umgekehrtes Vorzeichen des Magnetfelds vor, als es im erstgenannten Be- reich der Fall ist. Mit dem Vorzeichenwechsel des Magnetfelds ist es möglich geladene Teilchen im Strömungskanal in zuein- ander entgegengesetzte Richtungen senkrecht zur Bewegungs- richtung der geladenen Teilchen, d. h. des Aktionsfluids, ab- zulenken. Im Falle einer axialen Strömungsmaschine ist es günstig zumindest einen Vorzeichenwechsel des Magnetfelds vorzusehen, so dass entlang der Rotationsachse des Rotors zu- mindest zwei unterschiedliche räumliche Bereiche mit einem Magnetfeld unterschiedlichen Vorzeichens vorliegt. Bei Bewe- gung eines geladenen Teilchens entlang der axialen Richtung der Strömungsmaschine erfolgt somit eine Tangentialablenkung in dem ersten Bereich, beispielsweise im Uhrzeigersinn, wäh-

rend in dem zweiten Bereich das geladene Teilchen eine Kraft in entgegengesetzter Richtung erfährt, beispielsweise entge- gen dem Uhrzeigersinn.

Anhand der folgenden vereinfachten Betrachtungsweisen soll das Funktionsprinzip der Strömungsmaschine modellhaft vorge- stellt werden : Dabei werden die Feldlinien des Ablenkungsma- gnetfelds nur in ihrer Hauptwirkungsrichtung, d. h. radial zwischen Rotor und Stator, berücksichtigt, d. h. es erfolgt eine idealisierte Betrachtung im Wesentlichen paralleler Ma- gnetfeldlinien, die entweder radial einwärts oder radial aus- wärts gerichtet sind. Durch diese Vereinfachung werden Streu- einflüsse und ihre Auswirkungen vernachlässigt, was im Rahmen einer Verdeutlichung des grundlegenden Prinzips zulässig sein sollte. Weiterhin wird die Bewegung der Ionen gegenüber den Betrachtungen der Gasdynamik, welche die thermische Bewegung der Teilchen in alle Raumrichtungen gleich verteilt betrach- tet, nur zu dem Anteil berücksichtigt, der sich aus der An- strömung des Aktionsfluids ergibt. Die Anströmung des Akti- onsfluids ist den im Wesentlichen gleich verteilt angenomme- nen thermischen Bewegungen überlagert. Insofern kommt bei der Betrachtung der Ablenkungseffekte die dieser thermischen Gleichverteilung überlagerte Geschwindigkeit des strömenden Aktionsfluids-im statistischen Mittel-zum Tragen.

Beim Eintritt in ein radial zwischen Rotor und Stator durch den Magneten im Strömungskanal definiert erzeugtes Magnet- feld, werden im strömenden Aktionsfluid vorhandene elektrisch geladene Teilchen durch das Magnetfeld abgelenkt. Vorausge- setzt wird hierbei als Hauptströmungsrichtung des Aktions- fluids die axiale Richtung, wie es z. B. bei einer axialen Strömungsmaschine der Fall ist. Dabei wirkt auf die beladenen Teilchen eine von der magnetischen Flussdichte im Strömungs- kanal, von der Geschwindigkeit und der Ladung der Teilchen abhängige Kraft, die senkrecht zur Bewegungsrichtung gerich- tet ist. Diese Ablenkungskraft wird auch als Lorenzkraft be- zeichnet. Als geladene Teilchen kommen entweder Elektronen

mit einer vergleichsweise geringen Masse und einer negativen Elementarladung oder einfach oder mehrfach geladene positive Ionen mit deutlich höherer Masse infrage. Wegen der unter- schiedlichen Vorzeichen der geladenen Teilchen werden die Elektronen in umgekehrter Richtung als die positiven gelade- nen Ionen abgelenkt. Aufgrund der deutlichen Massenunter- schiede (etwa Faktor 104) werden die Elektronen außerdem auf eine viel kleinere Kreisbahn gezwungen als die Ionen. Stellt man das radiale Magnetfeld so ein, dass die Ionen bei Durch- laufen des Magnetfelds eine Ablenkung erfahren, die in ihrer Wirkung der Ablenkung durch ein konventionelles Schaufelgit- ter entspricht, so werden die Elektronen folglich auf eine sehr viel kleinere Kreisbahn gezogen, deren Radius im Allge- meinen kleiner ist als die axiale Ausdehnung des radialen Ab- lenkungsfelds. Die Elektronen verlassen das Magnetfeld also nicht, wie die Ionen, mit einer gezielten, wohl definierten Ablenkung, sondern gelangen auf eine Kreisbahn mit deutlich geringerem Radius oder eine schraubenlinienförmige Bahn, je nach ursprünglicher Richtung und Geschwindigkeit beim Ein- tritt in das Magnetfeld. Durch Stöße zwischen Elektronen und anderen Teilchen des Aktionsfluids ergeben sich überdies Än- derungen in der Flugbahn und ggf. in der Geschwindigkeit der Elektronen, so dass diese letztlich ebenfalls das Magnetfeld verlassen können. Infolge der gezielten Ablenkung der mit vergleichsweise hoher Masse versehenen Ionen um einen be- stimmten Umfangswinkel beim Durchlaufen eines mit einem Ma- gnetfeld, insbesondere mit einem radialen Magnetfeld, durch- fluteten Bereichs des Strömungskanals einerseits und den durch Stoßprozesse bewirkten im Wesentlichen diffusen Aus- tritt der deutlich leichteren Elektronen andererseits wird ein Drehimpuls auf das die geladenen Teilchen aufweisende Ak- tionsfluid übertragen. Je nach räumlicher Anordnung, Stärke und Vorzeichen des vom Magneten erzeugten Magnetfelds im Strömungskanal können somit unterschiedliche Ablenkungseffek- te, d. h. ein unterschiedlicher Drehimpulsübertrag auf das Ak- tionsfluid betragsmäßig und richtungsmäßig eingestellt wer- den.

Vorzugsweise ist ein sich axial erstreckender magnetischer Leitschaufelbereich mit konstantem Vorzeichen des Magnetfel- des und ein sich axial erstreckender Laufschaufelbereich mit gegenüber dem Leitschaufelbereich umgekehrten Vorzeichen des Magnetfelds vorgesehen.

In dem magnetischen Leitschaufelbereich kommt es durch Ablen- kung des in axialer Richtung strömenden Aktionsfluids analog zu konventionellen Turbinenleitgittern zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Dabei wird der axialen Hauptströ- mungsrichtung ein tangentialer Anteil überlagert, wobei eine Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie erfolgt.

Der magnetische Leitschaufelbereich weist dabei ein definier- tes Vorzeichen des Magnetfeldes auf, d. h. radial einwärts oder radial auswärts in dem gesamten Leitschaufelbereich. Der magnetische Leitschaufelbereich ist dabei räumlich ein Teil- bereich des Strömungskanals. Die Stärke des Magnetfelds kann aber innerhalb des magnetischen Leitschaufelbereichs durchaus variieren, ist aber vorzugsweise nahezu konstant. Der magne- tische Leitschaufelbereich definiert also sozusagen eine als Leitgitter fungierende Ablenkungsebene bzw. ein sich in der axialen Richtung erstreckende Ablenkungsscheibe, die abstrakt betrachtet eine einem herkömmlichen Turbinenleitgitter äqui- valente Wirkung auf das Aktionsfluid ausübt.

In analoger Weise erfolgt in dem magnetischen Laufschaufelbe- reich eine Ablenkung der weitgehend axial gerichteten Strö- mung des Aktionsfluids derart, dass der dem Medium entzogene Drehimpuls auf den Rotor der Strömungsmaschine übertragen wird. In dem magnetischen Leitschaufelbereich und in dem ma- gnetischen Laufschaufelbereich ist das Magnetfeld dabei im Wesentlichen radial gerichtet. Der magnetische Leitschaufel- bereich und magnetische Laufschaufelbereich bilden dabei bei- spielsweise räumlich verschiedene Teilbereiche des Strömungs- kanals. In dieser Ausgestaltung erfolgt die Ablenkung des Ak- tionsfluids in der Strömungsmaschine in Form von beispiels- weise in axialer Richtung räumlich begrenzter Ablenkungsebe-

nen oder Ablenkungsscheiben durch ein radial gerichtetes Ab- lenkungsmagnetfeld, welches sich zwischen Stator und Rotor durch den Strömungskanal erstreckt. Durch die in Strömungs- richtung des Aktionsfluids räumlich begrenzte Ausdehnung (Ab- lenkscheibe bzw. Ablenkebene) ist die Wirkung des magneti- schen Leitschaufelbereich und des magnetischen Laufschaufel- bereichs der Wirkung von Schaufelgittern in konventionellen Strömungsmaschinen, z. B. Gasturbinen, Dampfturbinen, Verdich- tern, sehr ähnlich. Es erfolgt dabei eine Ablenkung der über- wiegend axialen Strömung in eine Strömung mit axialer und tangentialer Komponente, wobei Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt wird. Der magnetische Leitschaufelbereich ist insofern analog einem Leitgitter einer konventionellen Turbine hinsichtlich der grundlegenden Wirkungsweise zu be- trachten. Im magnetischen Laufschaufelbereich erfolgt eine Ablenkung einer Strömung mit axialer und tangentialer Kompo- nente in eine überwiegend axiale Strömung, wobei kinetische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dieser Effekt ist seinem Wesen nach analog der Wirkung eines Laufgitters einer konventionellen Turbine. Vorteilhafter Weise kann durch eine geeignete Anordnung von aufeinander folgenden magneti- schen Leitschaufelbereichen und Laufschaufelbereichen eine analog zu konventionellen Turbinen fortschreitende Expansion des Arbeitsfluids unter Gewinnung mechanischer Energie in Form von Rotationsenergie des Rotors erzielt werden.

Bevorzugt ist daher der magnetische Laufschaufelbereich dem magnetischen Leitschaufelbereich in Strömungsrichtung des Ak- tionsfluids axial nachgeordnet. Hierdurch wird eine Stufe analog einer konventionellen Turbomaschine mit einem Leitrad und einem Laufrad realisiert. Die magnetische Stufe der Strö- mungsmaschine weist dabei einen magnetischen Leitschaufelbe- reich und einen axial sich daran anschließenden magnetischen Laufschaufelbereich auf. Der magnetische Laufschaufelbereich muss sich dabei nicht unmittelbar an den magnetischen Leit- schaufelbereich in Strömungsrichtung anschließen. Zwischen dem magnetischen Leitschaufelbereich und dem axial nachgeord-

neten magnetischen Laufschaufelbereich kann der Strömungska- nal feldfrei oder im Wesentlichen ohne ein nennenswertes Ma- gnetfeld sein. In einem derartigen Zwischenbereich erfolgt dann praktisch keine weitere Ablenkung der geladenen Teilchen und mithin kein weiterer Drehimpulsübertrag auf das die gela- denen Teilchen aufweisende strömende Aktionsfluid.

Bevorzugt ist eine Anzahl von magnetischen Leitschaufelberei- chen und Laufschaufelbereichen abwechselnd entlang der Rota- tionsachse angeordnet. Somit können in der Strömungsmaschine mehrere magnetische Stufen, d. h. eine Mehrzahl von axial, d. h. entlang der Rotationsachse abwechselnd hintereinander angeordneter magnetischer Leitschaufelbereiche und magneti- scher Laufschaufelbereiche realisiert sein. Auf dies kann wiederum in einer gewissen Analogie zu den bekannten Strö- mungsmaschinen mit mehreren axial hintereinander angeordneten Stufen gesehen werden. Je nach Anforderung können somit Strö- mungsmaschinen mit verschiedener Stufenzahl und Stufengröße umfassend jeweils einen magnetischen Leitschaufelbereich und einen sich daran anschließenden magnetischen Laufschaufelbe- reich, konzipiert werden.

Vorzugsweise umfasst zur Begrenzung des Magnetfelds im magne- tischen Leitschaufelbereich der magnetische Leitschaufelbe- reich einen sich radial einwärts erstreckenden Vorsprung des Stators. Durch den radial einwärts sich erstreckenden Vor- sprung ist eine lokale Erhöhung der magnetischen Flußdichte erreicht, d. h. die Magnetfeldlinien werden im Raum zwischen dem Vorsprung und dem dem Vorsprung in radialer Richtung ein- wärts gegenüberliegenden Rotor konzentriert. Durch diese Kon- figuration ist lokal näherungsweise eine magnetische Dipol- struktur realisiert, wobei abhängig von der gewählten Polari- tät z. B. aus dem Vorsprung austretende Magnetfeldlinien einen magnetischen Nordpol bilden, während die gegenüberliegende Rotorfläche in die die Magnetfeldlinien eintreten einen Süd- pol bildet. Der räumliche Einschluß (confinement) des Feldes ermöglicht eine gezielte Ablenkung von geladenen Teilchen im

Aktionsfluid, so dass in Analogie zu einer herkömmlichen Strömungsmaschine eine Leitschaufel realisiert ist, deren Wirkprinzip allerdings auf magnetischer Ablenkung von gelade- nen Teilchen beruht.

Allerdings sind gegenüber herkömmlicher Beschaufelung bei der magnetischen Leitschaufel der Erfindung vorteilhafterweise keine komplexen Geometrien für den Vorsprung erforderlich.

Der Vorsprung kann hinsichtlich seiner Geometrie und seiner magnetischen Eigenschaften des Materials so ausgestaltet sein, so dass bestmögliche Ergebnisse-ähnlich wie bei einem Polschuh-erzielt werden. Der Vorsprung kann hierbei kon- struktiv einfach an die Radialsymmetrie, insbesondere an die zylindermantelförmige Oberflächenkontur des Rotors, angepasst sein und besteht aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität, um entsprechend hohe magnetische Flußdichten des radialen Ablenkungsmagnetfeldes zu erzielen.

In bevorzugter Ausgestaltung weist zur axialen Begrenzung des Magnetfelds im magnetischen Leitschaufelbereich der Stator einen sich radial einwärts erstreckenden Umfangsring auf, an dem der Vorsprung angeordnet ist. Der Umfangsring erstreckt sich vollumfänglich um die Rotationsachse des Rotors. Die axiale Ausdehnung des Umfangsrings bestimmt hierbei im We- sentlichen auch die axiale Erstreckung des Magnetfeldes.

Durch den axialen und den radialen Einschluß ist im magneti- schen Leitschaufelbereich eine magnetische Ablenkebene-auf Grund deren axialen Abmessung genauer gesagt eine magnetische Ablenkscheibe-realisiert, in Analogie zu einer Leitschau- felreihe oder-gitter bei einer konventionellen Strömungsma- schine.

Hierzu sind in bevorzugter Ausgestaltung mehrere sich radial einwärts erstreckende Vorsprünge über den vollen Umfang des Stators angeordnet. Durch die Vielzahl von Vorsprüngen wird über den vollen Umfang eine gleichwirkende und daher ver- stärkte Ablenkung des Strömungsmediums erreicht, wobei ent-

sprechend der Anzahl und Anordnung der Vorsprünge räumliche Bereiche mit hoher Magnetfeldstärke gebildet sind. Aus Symme- triegründen sind die Vorsprünge vorteilhafterweise regelmäßig über den vollen Umfang des Stators, z. B. entlang eines ge- dachten regelmäßigen Vielecks, verteilt. Dabei ist eine Aus- gestaltung mit einem wie vorher beschreibenen Umfangsring, an dem mehrere Vorsprünge angeordnet sind, für einen radialen und axialen Feldeinschluß besonders günstig.

Bezüglich des magnetischen Laufschaufelbereichs umfasst die- ser in besonders bevorzugter Ausgestaltung zur räumlichen Be- grenzung des Magnetfelds einen sich radial auswärts erstrek- kenden Vorsprung des Rotors. Die Vorteile dieser Konfigurati- on ergeben sich in Analogie zum magnetischen Leitschafelbe- reich : Durch den radial auswärts sich erstreckenden Vorsprung ist eine lokale Erhöhung der magnetischen Flußdichte erreicht, d. h. die Magnetfeldlinien werden im Raum zwischen dem Vor- sprung und dem dem Vorsprung in radialer Richtung auswärts gegenüberliegenden Stator konzentriert. Durch diese Konfigu- ration ist lokal näherungsweise eine magnetische Dipolstruk- tur realisiert, wobei abhängig von der gewählten Polarität z. B. aus dem Vorsprung austretende Magnetfeldlinien einen ma- gnetischen Nordpol bilden, während die gegenüberliegende Sta- torfläche, in die die Magnetfeldlinien eintreten, einen Süd- pol bildet. Der räumliche Einschluß (confinement) des Feldes ermöglicht eine gezielte Ablenkung von geladenen Teilchen im Aktionsfluid, so dass in Analogie zu einer herkömmlichen Strömungsmaschine hiermit eine auf magnetischer Ablenkung von geladenen Teilchen beruhende Laufschaufel realisiert ist.

Bevorzugt sind hierbei mehrere sich radial auswärts erstrek- kende Vorsprünge über den vollen Umfang des Rotors angeord- net. Durch die Vielzahl von Vorsprüngen wird über den vollen Umfang eine gleichwirkende und daher verstärkte Ablenkung des Strömungsmediums erreicht, wobei entsprechend der Anzahl und

Anordnung der Vorsprünge räumliche Bereiche mit hoher Magnet- feldstärke gebildet sind. Aus Symmetriegründen sind die Vor- sprünge vorteilhafterweise regelmäßig über den vollen Umfang des Rotors, z. B. entlang eines gedachten regelmäßigen Viel- ecks, verteilt. Dabei ist eine Ausgestaltung mit einem wie vorher bereits im Zusammenhang mit dem magnetischen Leit- schaufelbereich beschreibenen Umfangsring, an dem mehrere Vorsprünge angeordnet sind, für einen radialen und axialen Feldeinschluß besonders günstig.

Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine eine Ionisierungs- einrichtung zur Erzeugung von geladenen Teilchen im Aktions- fluid auf. Die Ionisation von Neutralteilchen im Aktionsfluid kann hierbei auf unterschiedliche Weise mittels der Ionsie- rungseinrichtung erfolgen, beispielsweise durch Stoßionisati- on oder durch Strahlungsionisation. Je nach Wirkungsquer- schnitt für die Ionisation bestimmter Neutralteilchen ist ei- ne geeigneter Ionisationsprozeß zu wählen, auf dessen Prinzip die Ionisierungseinrichtung arbeiten soll. Hohe Temperaturen wie bei einer thermischen Plasmaerzeugung sind dabei vorteil- hafterweise nicht erforderlich. Auch ist Mehrfachionisation möglich. Mittels der Ionisierungseinrichtung ist damit ein ionenhaltiges Aktionsfluid erzeugbar bzw. bereitstellbar, welches die magnetohydrodynamische Strömungsmaschine der Er- findung beim Durchströmen des Strömungskanals antreibt.

Vorzugsweise weist die Strömungsmaschine eine Rekombinations- einrichtung zur Rekombination von geladenen Teilchen im Akti- onsfluid.

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Strömungsmaschi- ne mit einem Rotor und einem Stator und einem Strömungskanal, bei dem der Strömungskanal von einem ionenhaltigen Aktions- fluid durchströmt und im Strömungskanal ein definiertes Ma- gnetfeld erzeugt wird, wobei Ionen in dem Magnetfeld abge- lenkt werden.

Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich in analoger Weise aus den Vorteilen der oben beschriebenen Strömungsmaschine.

Dabei wird in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens der Rotor infolge der Ablenkung von Ionen aufgrund der Wechsel- wirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt.

Weiter bevorzugt wird im Strömungskanal ein auf die Ionen einwirkendes radiales Magnetfeld derart erzeugt, dass beim Durchströmen des Strömungskanals die tangentiale Geschwindig- keitskomponente des ionenhaltigen Aktionsfluids gezielt be- einflusst wird. Die Wirkung der Lorenzkraft auf die geladenen Teilchen, d. h. der gegenüber den Elektronen deutlich schwere- ren Ionen, wird hierbei gezielt ausgenutzt, um im Ergebnis dem Aktionsfluid einen Netto-Drehimpuls (Drall) aufzuprägen.

Der Drehimpulstransfer kann zu einer Drallerhöhung oder zu einer Drallverringerung des strömenden sich entspannenden Ak- tionsfluids führen.

Vorzugsweise wird im Strömungskanal ein radiales Magnetfeld erzeugt, welches entlang der Strömungsrichtung des ionenhal- tigen Aktionsfluids alterniert. Dabei bedeutet alternierendes Magnetfeld, dass entlang der Strömungsrichtung die radiale Komponente des Magnetfelds mindestens einen Vorzeichenwechsel aufweist, d. h eine Umpolung der Radialkomponente stattfindet.

Das Magnetfeld wird dabei in bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens zeitlich und/oder räumlich geregelt. Dies kann z. B. durch entsprechende Anordnung und elektrische Ansteue- rung des Magneten oder der Magnete zur Erzeugung eines vor- gebbaren Feldverteilung im Strömungskanal erfolgen.

Bevorzugt wird das ionenhaltige Aktionsfluid durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfuid vor Durchströmen des Strömungska- nals gebildet. Dies kann z. B. durch eine der Eintrittsöffnung

des Strömungskanals vorgeschaltete Ionisierungseinrichtung erreicht werden.

Weiter bevorzugt werden Ionen durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid während dem Durchströmen des Strömungskanals gebildet. Die in situ-Erzeugung hat dabei den Vorteil, dass die Ionen gezielt in den Bereichen erzeugt werden können, wo sie für die Vermittlung einer magnetischen Ablenkung auch be- nötigt werden, d. h. in dem magnetischen Leitschaufelbereich oder dem magnetischen Laufschaufelbereich.

Zur Erzeugung der Ionen werden diese vorzugsweise durch Stoßionisation gebildet. Alternativ oder zusätzlich werden Ionen durch Strahlungsionisation gebildet, wobei Aktionsfluid mit einer für Teilchen im Aktionsfluid ionisierend wirkenden Strahlung bestrahlt wird. Diese Strahlung kann beispielsweise UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung sein.

Vorzugsweise wird in einem Rekombinationsprozeß und/oder ei- nem katalytischen Prozeß das Aktionsfluid von schädigenden Substanzen gereinigt. Die Reinigung wird bevorzugt während und/oder nach Durchströmen des Strömungskanals durchgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachter und nicht maßstäbli- cher Darstellung FIG 1 ein Ausschnitt einer auf einem magnetohydrodynami- schen Prinzip basierenden Strömungsmaschine, FIG 2 eine Bahnkurve eines geladenen Teilchens in einem räumlich begrenzten Magnetfeld, FIG 3 Schnittansicht in axialer Richtung durch einen ma- gnetischen Leitschaufelbereich entlang der Schnitt- linie III-III der in FIG 1 dargestellten Strömungs- maschine,

FIG 4 Schnittansicht in axialer Richtung durch einen ma- gnetischen Laufschaufelbereich entlang der Schnitt- linie IV-IV der in FIG 1 dargestellten Strömungsma- schine, FIG 5 in einem Diagramm den druck-und Geschwindigkeits- verlauf für eine konventionelle Turbine, FIG 6 zum Vergleich mit FIG 5 in einem Diagramm den druck-und Geschwindigkeitsverlauf für eine Turbine mit magnetohydrodynamischer Beschaufelung FIG 7 in einem Blockdiagramm die Anordung der Prozess- funktionen am Beispiel einer Dampfturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer Beschaufelung, und FIG 8 in einem Blockdiagramm die Anordnung der Prozess- funktionen am Beispiel einer Gasturbine unter Ein- satz magnetohydrodynamischer Beschaufelung Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeu- tung.

Figur 1 zeigt in einem Ausschnitt eine Strömungsmaschine 1, welche nach einem magnetohydrodynamischen Prinzip arbeitet.

Die Strömungsmaschine 1 weist hierzu einen sich entlang einer Rotationsachse 11 erstreckenden Rotor 3 auf. Ein Stator 5 um- gibt den Rotor 3 über den vollen Umfang konzentrisch beab- standet, so dass ein ringförmiger axialer Strömungskanal 7 gebildet ist, dem ein ionenhaltiges Aktionsfluid A, z. B. ein ionenhaltiger Dampf oder ein Gas zuführbar ist. Durch das Ak- tionsfluid A ist der Rotor 3 bei Durchströmen des Strömungs- kanals 7 antreibbar, wobei magnetische Ablenkeffekte auf ge- ladene Teilchen 25, insbesondere auf Ionen 27, im Aktions- fluid A gezielt ausgenutzt werden.

Hierzu weist die Strömungsmaschine 1 einen Magneten 9 zum Er- zeugen eines vorgebbaren Magnetfelds B im Strömungskanal 7 auf. Der Magnet 9 ist in den Stator 5 ortsfest integriert und kann z. B. wie gezeigt als eine Magnetspule ausgestaltet sein, wobei das gewünschte Magnetfeld B im Strömungskanal 7 in sei- ner Feldstärke durch Einstellung bzw. Regelung einer elektri- schen Stromstärke durch die Spule erreicht wird. Vorteihaf- terweise werden durch diese Konstruktion nur ruhende Wicklun- gen verwendet. Um die magnetische Flußdichte zu erhöhen be- steht der Stator 5 dabei zumindest teilweise aus einem ferro- magnetischem Material. Desgleichen ist der Rotor 3 aus ferro- magnetischem Material ausgeführt. Hierdurch ist ein guter Ma- gnetfeld-Ringschluss erreicht und es werden besonders hohe Flußdichten im Strömungskanal 7 gerade dort erzielt, wo die Wechselwirkung des Magnetfelds B mit den Ionen 27 vorgesehen ist. Das Magnetfeld B ist im Strömungskanal 7 im Wesentlichen radial gerichtet, d. h. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung parallel zur Rotationsachse 11 des mit Ionen 27 beladenen Ak- tionsfluids A. Entlang der Rotationsachse 11 des Rotors 3 weist das Magnetfeld B bezogen auf die radiale Richtung zu- mindest einen Vorzeichenwechsel auf, d. h. es liegt zumindest eine Umpolung vor. Die Magnetfeldverteilung wird so einge- stellt, dass-räumlich betrachtet-ein sich axial erstrek- kender magnetischer Leitschaufelbereich 15 mit konstantem Vorzeichen des Magnetfelds im Strömungskanal 7 gebildet ist.

Weiterhin ist ein sich axial erstreckender magnetischer Lauf- schaufelbereich 17 mit gegenüber dem Leitschaufelbereich 15 umgekehrtem Vorzeichen des Magnetfelds B vorgesehen. Zwischen dem magnetischen Leitschaufelbereich 15 und dem magnetischen Laufschaufelbereich 17 ist ein nahezu feldfreier Zwischenraum 35 gebildet, in dem keine magnetische Ablenkung der geladenen Teilchen 25 zu verzeichnen ist. Ein magnetischer Laufschau- felbereich 17 ist dabei unter Bildung des axialen Zwischen- raums 35 einem magnetischen Leitschaufelbereich 15 axial nachgeordnet. Die dadurch gebildete Magnetfeldkonfiguration kann, analog zu einer herkömmlichen Turbinenstufe, als magne- tohydrodynamische Stufe oder MHD-Stufe bezeichnet werden. Ei-

ne Anzahl solcher MHD-Stufen sind entlang der Rotationsachse 11 nacheinander angeordnet, so daß in der Strömungsmaschine 1 eine entsprechende Anzahl von magnetischen Leitschaufelberei- chen 15 und Laufschaufelbereichen 17 abwechselnd entlang der Rotationsachse 11 unter Bildung eines jeweiligen feldfreien Zwischenraums 35 angeordnet sind. Der Zwischenraum 35 wird radial einwärts, d. h. rotorseitig, und radial auswärts, d. h. statorseitig, durch ein jeweiliges Strömungsführungsblech 33 begrenzt. Aufgrund der gewünschten Feldfreiheit des Zwischen- raums 35 ist das Strömungsführungsblech 33 in vorteilhafter Ausgestaltung nicht aus einem ferromagnetischen Material.

FIG 2 zeigt zur Erläuterung eine Bahnkurve 37 (Trajektorie) eines positiv geladenen Ions 27 in einem räumlich begrenzten Magnetfeld B, wie es idealisiert durch die MHD-Beschaufelung in der Strömungsmaschine 1 der Figur 1 vorliegt. Dabei ist ein räumlich begrenzter Bereich 39 mit einem Magnetfeld B ge- zeigt, welcher in axialer Richtung von feldfreien Bereichen . 39A, 39B begrenzt ist. Aufgrund der Wirkung der Lorentzkraft FL auf das mit der Geschwindigkeit v sich bewegende geladene Ion 27 findet eine Ablenkung im Bereich 39 senkrecht zur Ma- gnetfeldrichtung und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ions 27 statt, was zu einer gekrümmten Bahnkurve 37 im Bereich 39 führt. In den feldfreien Bereichen 39A, 39B findet hingegen keine Ablenkung statt, d. h. die Bahnkurve verläuft im Wesent- lichen ungestört, d. h. geradlinig. Diese elementare Feldver- teilung des Magnetfelds B und deren Wirkung auf ein strömen- des, expandierendes ionenhaltiges Aktionsfluid A wird mit dem Konzept der Erfindung erstmals bei einer Strömungsmaschine vorgeschlagen.

Figur 3 zeigt zur näheren Erläuterung eine stark vereinfachte Schnittansicht in axialer Richtung durch einen magnetischen Leitschaufelbereich 15 entlang der Schnittlinie III-III der in FIG 1 dargestellten Strömungsmaschine 1. Der Stator 5 um- gibt den Rotor 3 konzentrisch unter Bildung des Strömungska- nals 7. Zur Begrenzung des Magnetfelds B im magnetischen

Leitschaufelbereich 15 weist der magnetische Leitschaufelbe- reich 15 mehrere sich radial einwärts erstreckende Vorsprünge 19 auf, die über den vollen Umfang des Stators 5 angeordnet sind. Die Vorsprünge 19 sind hierbei auf einem sich radial einwärts in den Strömungskanal 7 erstreckenden Umfangsring 29A angeordnet und beispielsweise einstückig mit diesem ver- bunden. Der die Vorsprünge 19 aufweisende Umfangsring 29A um- fasst den Rotor 5 vollumfänglich und bildet einen Teil eines nicht näher dargestellten Statorgehäuses. Zur besseren Über- sicht ist die Feldverteilung des Magnetfelds B nur in einem Teilbereich des Leitschaufelbereichs 15 dargestellt. Die Po- larität ist dergestalt gewählt, dass der magnetische Nordpol N bei den Vorsprüngen 19 des Stators 5 gebildet ist, so dass die Feldlinien bei den Vorsprüngen 19 austreten, den Strö- mungskanal 7 vorwiegend in radialer Richtung einwärts durch- dringen und durch die Rotoroberfläche 41 in das Innere des Rotors 3 eintreten. Aufgrund der Ionen 27 im strömenden Akti- onsfluid A ist ein Ladungsstrom durch den Strömungskanal 7 erreicht, der mit dem Magnetfeld im magnetischen Leitschau- felberich 15 und im magnetischen Laufschaufelbereich 17 (Fi- gur 4) wechselwirkt, wobei ein induktiver Effekt zu verzei- chen ist. Hierbei wird auf Grund des Ladungsstrom selbst- analog einem stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld- ein magnetisches Feld erzeugt, welches sich dem externen Ma- gnetfeld B im Strömungskanal überlagert. Hierdurch werden entlang des Ladungsstroms bei einer konstruktiver Überlage- rung Feldbereiche mit erhöhter Feldliniendichte gebildet so- wie gleichzeitig bei destruktiver Überlagerung entsprechende Feldbereiche mit niedrigerer Feldliniendichte. Da Magnetfeld- linien die Tendenz haben sich zu verkürzen, führt dies zu ei- ner Ablenkung des Ladungsstroms vom Feldbereich mit erhöhter Feldliniendichte zum Feldbereich mit niedriger Feldlinien- dichte (Lorentz'sches Gesetz).

Figur 4 zeigt in analoger Darstellung zu Figur 3 eine Schnit- tansicht in axialer Richtung durch einen magnetischen Lauf- schaufelbereich 17 entlang der Schnittlinie IV-IV der in FIG

1 dargestellten Strömungsmaschine. Zur räumlichen Begrenzung des Magnetfelds B im magnetischen Laufschaufelbereich 17 weist der magnetische Laufschaufelbereich 17 mehrere sich ra- dial auswärts erstreckende Vorsprünge 21 auf, die über den vollen Umfang des Rotors 3 auf einem Umfangsring 29B des Ro- tors 5 angeordnet sind. Der Umfangsring 29B dient der räumli- chen Begrenzung, insbesondere in axialer Richtung, des Ma- gnetfelds B im magnetischen Laufschaufelbereich 17 und er- streckt sich sich radial auswärts. Die Polarität des Magnet- felds B ist gegenüber dem magnetischen Laufschaufelbereich 17 (Figur 3) hier so gewählt, dass magnetische Nordpole N nun- mehr bei den Vorsprüngen 21 des Rotors 5 gebildet sind, so dass die Feldlinien bei den Vorsprüngen 21 austreten, den Strömungskanal 7 in radialer Richtung auswärts durchdringen und durch die Statoroberfläche 43 in das Innere des Stators 3 eintreten. Durch die Vorsprünge 19,21 wird eine Konzentration der Magnetfeldlinien, d. h. eine erhöhte Stärke des radialen Magnetfelds B im Leitschaufelbereich 17 bzw. im Laufschaufel- bereich 15 erzielt und dadurch die Wechselwirkung des Magnet- felds B mit dem durch die Bewegung der Ionen 27 einhergehen- den Ladungsstrom auf diese lokalen Bereiche beschränkt. Durch die Feldverteilung in dem Leitschaufelbereich 17 und dem Laufschaufelbereich 15 werden so magnetische Ablenkungsebenen (Leitebenen und Laufebenen) bzw. auf Grund der axialen Dimen- sion Ablenkungsscheiben realisiert.

Die Bereitstellung solcher magnetischer Ablenkungsebenen für die geladenen Teilchen 25,27 bzw. das ionenhaltige Aktions- fluid A durch das Magnetfeld B ist in ihrer Wirkung dabei ei- nem konventionellen Schaufelgitter sehr ähnlich : Im Falle einer-wie hier beispielhaft diskutiert-axialen Strömungsmaschine 1 erfolgt beispielsweise eine Ablenkung von überwiegend axialer Strömung des Aktionsfluids A in einer Strömung mit sowohl axialer als auch tangentialer Komponente, dies aufgrund der Tatsache, dass aufgrund der Lorentzkraft FL (Figur 2) den geladenen Teilchen 25,27 senkrecht zur Strö- mungsrichtung durch die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld B

eine tangentiale Komponente aufgeprägt wird. Diese Ablenkung ist mit einer Umwandlung von Druckenergie des Aktionsfluids A in kinetische Energie, analog einem Leitgitter einer konven- tionellen Turbine, verbunden. In gleicher Weise ist es mög- lich von einer Strömung des Aktionsfluid A mit axialer und tangentialer Komponente eine Umwandlung in eine überwiegend axiale Strömung-unter Umwandlung kinetischer Energie in me- chanische Arbeit, analog zu einem Laufgitter einer konventio- nellen Turbine-zu erzielen. Eine geeignete Magnetfeldkonfi- guration mit räumlich und ggf. zeitlich durch den Magneten 9 erzeugten Magnetfeld B in dem Strömungskanal 7 erlaubt mithin analog zu konventionellen Turbinen eine fortschreitende Ex- pansion des Aktionsfluids A unter Gewinnung von mechanischer Arbeit, die in Form von Rotationsenergie auf den Rotor 3 we- gen der zu verzeichnenden magnetisch-induzierten Drehimpul- sänderung übertragbar ist, so dass dieser mit einer Winkelge- schwindigkeit w rotiert.

Um die Analogie der MHD-Strömungsmaschine 1 mit einer konven- tionellen Turbine, z. B. einer Dampfturbine, zu illustrieren sind in den Figuren 5 und 6 der Druckverlauf 49 und der Ge- schwindigkeitsverlauf 51 für eine konventionelle Überdruck- turbine mit herkömmlicher Beschaufelung (Figur 5) und für ei- ne Strömungsmaschine 1 mit MHD-Beschaufelung gezeigt. Der Bahnverlauf 37 in Figur 5 eines Teilchens, z. B. eines Gas- oder Dampfmoleküls, durch die Turbinenstufen, die jeweils aus konventionellem Leitrad 45 und Laufrad 47 gebildet sind, äh- nelt qualitativ in hohem Maße dem Bahnverlauf 37 eines Ions 27 beim Durchlaufen der magnetischen Stufen der Erfindung, die jeweils axial aufeinander folgend aus einem magnetischen Leitschaufelbereich 15, einem feldfreien Zwischenraum 35 und einem magnetischen Laufschaufelbereich 17 zusammengesetzt sind. Diese Analogie ist auch bei dem Druckverlauf 49 und bei dem Geschwindigkeitsverlauf zu finden : Der Druckverlauf 49 des in axialer Richtung expandierenden Aktionsfluids A ist im mittleren Teildiagramm der Figuren 5

und 6 gegenüber der axialen Lauflänge L (Figur 6) bzw. gegen- über der Stufenzahl (Figur 5) aufgetragen. Der Druck p ist auf der Y-Achse der Koordinatensysteme und die axiale Lauf- länge L bzw. die Stufenzahl auf der X-Achse aufgetragen. Der Druck p nimmt in beiden Teildiagrammen gleichermaßen stufen- förmig entlang der X-Achse ab, wobei insbesondere im magneti- schen Leitschaufelbereich 17 und Laufschaufelbereich 15 ent- sprechend dem Druckverlauf über die konventionelle Leitschau- felreihe 45 und die Laufschaufelreihe 47 ein deutlicher Druckabfall zu verzeichnen ist. Dazwischen ist der Druck p näherungsweise konstant.

Der Geschwindigkeitsverlauf 51 des in axialer Richtung expan- dierenden Aktionsfluids A ist im unteren Teildiagramm der Fi- guren 5 und 6 gegenüber der axialen Lauflänge L (Figur 6) bzw. gegenüber der Stufenzahl (Figur 5) aufgetragen. Die Ge- schwindigkeit c ist auf der Y-Achse der Koordinatensysteme und die axiale Lauflänge L bzw. die Stufenzahl auf der X- Achse aufgetragen. Mit der Geschwindigkeit c ist in diesen Fällen die sogenannte Absolutgeschwindigkeit gemeint, eine im Turbinenbau allgemein bekannte Größe.

Die Geschwindigkeit c alterniert in beiden Teildiagrammen gleichermaßen zwischen einem Minimalwert cumin und einem Maxi- malwert Cmax. Dabei steigt die Geschwindigkeit c über eine Leitschaufelreihe 45 von dem Minimalwert cmin bis zu dem Maxi- malwert Cmax an, erreicht einen plateauförmigen nahezu kon- stanten Abschnitt, um anschließend über die nachfolgende Laufschaufelreihe 47 wieder von dem Maximalwert Cmax bis zu dem Minimalwert Cmin abzunehmen. Dieser Geschwindigkeitsver- lauf 51 ist exakt auch im entsprechenden unteren Teildiagramm der Figur 6 zu finden, wo diese Effekte auf die Geschwindig- keit c auch bei der axialen Expansion des Aktionsfluids A durch einen magnetischen Leitschaufelbereich 15, den Zwi- schenraum 35 sowie den magnetischen Laufschaufelbereich 17 auftreten.

In einem Blockdiagramm zeigt Figur 7 stark vereinfacht und schematisch die Anordnung der Prozessfunktionen D1 bis D7 und Prozesseinrichtungen am Beispiel einer Dampfturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer (MHD-) Beschaufelung der Er- findung. Zunächst sind vorgeschaltete Prozessfunktionen D1 und D2 vorgesehen, die vor dem eigentlichen MHD-Prozess in einer Strömungsmaschine 1, hier einer Dampfturbine mit einem Dampfprozess, durchgeführt werden. Die vorgeschalteten Pro- zessfunktionen umfassen zunächst die Wärmezufuhr in das Akti- onsfluid A, hier dem Wasser-oder Wasserdampf. Die Aufheizung des Aktionsfluids im Prozessschritt D1 kann dabei beispiels- weise in einem Kessel, einem Dampferzeugerkessel, erfolgen.

Anschließend erfolgt (optional) in D2 ein konventioneller Dampfturbinenprozess, wobei das aufgeheizte Aktionsfluid A eine konventionelle Dampfturbinenbeschaufelung arbeitslei- stend durchströmt und sich dabei teilentspannt. Zur Erzeugung eines ionenhaltigen Aktionsfluids A ist in Prozessschritt D3 die Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A vorgesehen.

Hierzu ist eine Ionisierungseinrichtung 23 implemantiert, die z. B. mittels Strahlungsionisation oder Elektronen- Stoßionisation Ionen 27 (vgl. auch Figur 1) mit ausreichender Dichte im Aktionsfluid A erzeugt. In Prozessschritt D4 wird der eigentliche MHD-Prozess durchgeführt. Der Strömungskanal 7 wird von dem ionenhaltigen Aktionsfluid A durchströmt, wo- bei in dem Strömungskanal 7 ein definiertes Magnetfeld B er- zeugt wird, wobei die Ionen in dem Magnetfeld abgelenkt wer- den. Der Rotor 3 der MHD-Strömungsmaschine 1 wird infolge der Ablenkung der Ionen 27 aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt. Ionen 27 können dabei durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A auch während dem Durchströmen des Strömungskanals 7 im MHD-Prozessschritt D4 erzeugt werden. Falls erforderlich ist ein Prozessschritt D5 dem MHD-Prozessschritt D4 nachgeschaltet, bei welchem in ei- nem Rekombinationsprozess und/oder in einem katalytischen Prozess das Aktionsfluid von schädigenden Substanzen gerei- nigt wird. Für diesen Reinigungsschritt ist z. B. eine Rekom- binationseinrichtung 31 implementiert. Die nachgeschalteten

Prozessschritte D6 und D7 sind konventioneller Natur : So er- folgt (optional) in D6 wiederum ein konventioneller Dampftur- binenprozess, wobei das noch heiße Aktionsfluid A eine kon- ventionelle Dampfturbinenbeschaufelung arbeitsleistend durch- strömt und sich dabei weiter entspannt. Auf diese Weise ist eine möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad der gesamten Dampf- turbinenanlage erzielbar. Abschließend wird in Prozessschritt D7 die Wärmeabfuhr aus dem weitgehend entspannten Aktions- fluid A in einem Kondensator 53 durchgeführt.

In einem weiteren Blockdiagramm zeigt Figur 8 stark verein- facht und schematisch die Anordung der Prozessfunktionen G1 bis G7 und Prozeßeinrichtungen am Beispiel einer Gasturbine unter Einsatz magnetohydrodynamischer (MHD-) Beschaufelung der Erfindung. Zunächst ist eine vorgeschaltete Prozessfunk- tionen D1 vorgesehen, die vor dem eigentlichen MHD-Prozess in einer Strömungsmaschine 1, hier einer Gasturbine mit Gastur- binenprozess, durchgeführt wird. Die vorgeschaltete Prozess- funktion G1 umfasst zunächst das Verdichten eines Aktions- fluid A, hier von Verdichterluft in einem konventionellen Verdichterteil. Anschließend erfolgt in G2 optional ein MHD- Verdichterprozess, bei dem ein ionenhaltiges Aktionsfluid A mittels einer Ionisierungseinrichtung 23 erzeugt und in einem MHD-Prozess in einem MHD-Verdichter mit MHD-Beschaufelung verdichtet wird. Danach wird in Schritt G3 das derart ver- dichtete Aktionsfluid A aufgeheizt. Die Aufheizung des Akti- onsfluids A im Prozessschritt G3 kann dabei beispielsweise in der Brennkammer der Gasturbine durchgeführt werden, wobei die Verdichterluft aus Prozessschritt G2 zusammen mit einem Brennstoff verbrannt wird und somit ein heißes Verbrennungs- gas als Aktionsfluid A für den nachgeschalteten Prozess- schritt G4 zur Verfügung steht.

Zur Erzeugung eines ionenhaltigen Aktionsfluids A ist in Pro- zessschritt G4 die Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A vorgesehen. Hierzu ist eine Ionisierungseinrichtung 23 imple- mentiert, die z. B. mittels Strahlungsionisation oder Elektro-

nen-Stoßionisation Ionen 27 (vgl. auch Figur 1) mit ausrei- chender Dichte im Aktionsfluid A erzeugt. In Prozessschritt G4 wird zugleich der eigentliche MHD-Prozess durchgeführt.

Der Strömungskanal 7 wird von dem ionenhaltigen Aktionsfluid A durchströmt, wobei in dem Strömungskanal 7 ein definiertes Magnetfeld B erzeugt wird, wobei die Ionen 27 in dem Magnet- feld abgelenkt werden. Der Rotor 3 der MHD-Strömungsmaschine 1, hier einer MHD-Gasturbine, wird infolge der Ablenkung der Ionen 27 aufgrund der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld in Rotation versetzt. Ionen 27 können dabei durch Ionisation von Teilchen im Aktionsfluid A auch zusätzlich noch vor Eintritt in den Strömungskanal 7 im MHD-Prozessschritt G4 erzeugt wer- den. Falls erforderlich ist ein Prozessschritt G5 dem MHD- Prozessschritt G4 nachgeschaltet, bei welchem in einem Rekom- binationsprozess und/oder in einem katalytischen Prozess das Aktionsfluid A von schädigenden Substanzen gereinigt wird.

Für diesen Reinigungsschritt ist z. B. eine Rekombinationsein- richtung 31 implementiert. Die nachgeschalteten Prozess- schritte D6 und D7 sind konventioneller Natur : So erfolgt (optional) in G6 wiederum ein konventioneller Gasturbinenpro- zess, wobei das noch heiße Aktionsfluid A, d. h. das Heißgas, eine konventionelle Gasturbinenbeschaufelung arbeitsleistend durchströmt und sich dabei weiter entspannt und abkühlt. Auf diese Weise ist eine möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad der gesamten Gasturbinenanlage, die die Prozessschritte G1 bis G7 umfasst, erzielbar. Abschließend wird in Prozessschritt G7 die Wärmeabfuhr aus dem bereits weitgehend entspannten und abgekühlten Aktionsfluid A in einem Abhitzekessel 55, einer sonstigen Wärmetauschereinrichtung oder einem Kamin vorgenom- men.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass-wie gezeigt wurde - eine MHD-Beschaufelung für eine Strömungsmaschine bedeuten kann, dass sowohl magnetische Leitschaufelbereiche 15 als auch magnetische Laufschaufelbereiche 17 unter Ausnutzung des magnetohydrodynamischen Effekts in einer Strömungsmaschine 1 realisiert sind. Es ist aber ebenso möglich ein konventionel-

les Leitrad oder eine Leitschaufelreihe 45 mit einem magneti- schen Laufschaufelbereich 17 zu kombinieren oder aber einen magnetischen Leitschaufelbereich 15 mit einem konventionellen Laufrad oder Laufschaufelreihe 47. In diesem Sinne sind dem- nach auch"Mischstufen"mit MHD-und konventioneller Beschau- felung in einer Strömungsmaschine loder in einer Prozessanla- ge mit einer Strömungsmaschine 1 realisierbar. Dabei ist es zweckmäßig für den Betrieb der Strömungsmaschine 1 die Ioni- sierungseinrichtung 23 dem MHD-Prozess vorzuschalten, damit bereits beim Eintritt in den Strömungskanal 7 der Strömungs- maschine 1 eine hinreichend große Dichte an Ionen 27 im Akti- onsfluid gewährleistet ist. Eine Nachionisation kann im Ver- lauf der Prozesses, d. h. während des Durchströmens des Strö- mungskanals 7 mit dem ionenhaltigen Aktionsfluid A, kontinu- ierlich oder wiederholt mittels geeigneter Ionisierungsein- richtungen 23 vorgenommen werden. Eine Rekombinationseinrich- tung 31 kann nach Durchströmen der MHD-Beschaufelung oder fallweise auch in deren Verlauf-insbesondere bei schutzbe- dürftigen Einrichtungen oder Bauteilen im Strömungskanal 7- zur Reinigung vorgesehen sein. Es empfiehlt sich im letzteren Fall die erneute Ionisation von Aktionsfluid A im Strömungs- kanal 7 vor Einströmen des Aktionsfluids A in den nächsten magnetischen Leitschaufelbereich 15 oder Laufschaufelbereich 17.