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Strömungsmaschine. zum gleichzeitigen Umsatz zwischen thermischer
und mechanischer Energie und zur Durchführung von Isotopen-- und anderen Gemisch-Trennungen.11
Zur Trennung von Isotopen sind ausser dem Diffusionsverfahren zwei strbmungstechnische
Verfahren bekannt geworden- das Zentrifugen und das Trenndüsenverfahren (Vergl.u.a.Plenarvortrag
von Prof.Dr.Becker anlässlich der Tagung der Deutschen Physikali schen Gesellschaft
in Karlsruhe am 4.10.1968). Bei den beiden letztgenann@en Verfahren werden Teilströme
eines gasförmigen Isotopengemisches mit mechanischen Mitteln abgetrennt. Sie erfordern
im Vergleich zum Diffusionsverfahren einen geringeren Kapital aber grösseren Energieaufwand
zum Antrieb der Verdichter in den parallel- bezw. hintereinander geschalteten Kaskaden
Fig.1 veranschaulicht das Prinzip des Trenndüsenverfahrens:Das Isotopengemisch tritt
bei "a" in eine Düse bu ein, die aussen von der Führungswand "c" begrenzt wird0
Durch einen Abschälen "d" wird der von einer zweiten Führungswand "e" umgelenkte
Gas-.
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strom in zwei Teilströme zerlegt, wobei die leichtere Fraktion "f"
nach innenDdie schwerere Fraktion "g" nach aussen abgelenkt wird.
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Es ist ferner durch deutsche Patentanmeldungen (u.a.PLA 61/8330) und
durch zahlreiche9 im Ausland bereits erteilte Patente (u.a, Schweizer Patent 430935
v.28.2.1967) eine Strömungsmaschine bekannt geworden, in der die Strömung des Arbeitsmittels
zumindest im Bereich des Aussendurchmessers im Schnitt senkrecht zur Achse gesehen
stellenweise tangential verläuft9 wobei der Über gang zwischen Lauf=und Leitelementen
im Bereich einer vorwiegend achsial oder radial verlaufenden Strömungskomponente
liegen kann.
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Das Prinzip dieser Strömungsmaschine ist an einem Beispiel in Fig.2
dargestellt, die den oben genannten Patenten bezw. -anmeldingen entnommen ist: Mit
"a" ist der Verlauf der hier zentrifugalen Strömung in den gekrümmten Kanälen des
Leitkörpers "h' bezeichnet. Sie wird aus einer im Mittelbereich vorwiegend radialen
im Aussenbereich in eine vorwiegend tangentiale Richtung umgelenkt und verlässt
den Leitkörper mit einer vorwiegend achsialen Komponente, sodass bei dieser Ausführung
der Übergangsbereich dem einer konventionellen Achsialmaschine entspricht. Im Laufrad
"i" folgt anechllsssend die Übertragung der StrUmungsenergie auf die Welle, wenn@@@
es sich um eine Kraftmaschine handelt.
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Dem Trenndüsenverfahren und einer Strömungsmaschine ist gemeinsam,
dass
in beiden eine Expansion mit Druckabsenkung und Geschwindig keitssteigerung eines
gasförmigen Strömungsmittels stattfindet.# Gegenstand der vorlieganden Anmeldung
ist nun eine Strömungsmazeine der beschriebenen Bauart mit Zinrichtungen, die es
ermöglichen, gleichzeitig mit dem Verdichtungs- oder Entspannungsvorgang eine Trennung
von Isotopen oder von anderen Bestandteilen eines Gemisches durchzuführen. Zu diesem
Zweck wird an geeigneter Stelle des Verlaufes der Zustandsänderung im Innern der
Laufbezw. Leitkörper eine Abtrennvorrichtung eingebaut, die auch verstellbar sein
kann.Fig.3 zeigt als Beispiel den Leitkörper "h" einer Zentripetal-Kraftmaschine,
deren Kanäle - wie in Fig.2 -van innen nach aussen durchströmt und im Bereich des
Aussenumfangs tangential umgelenkt werden. Die Kanäle verjüngen sich in diesem Bereich
zu Düsen "b", die in diesem Fall als sich wieder erweiternde IQvaldüsen ausgeführt
sind und an deren äusserer Begrenzungewand die Teilströme der schwereren Fraktion
"g" entnommen werden.Fig.4 zeigt einen Schnitt durch die Zylinderfläche,in der die
Düsen und die Austrittsöffnungen liegen, Fig.5.den gleichen Schnitt in vergrössertem
Masstab:Der innenliegende, gekrümmte,gestrichelt gezeichnete Kanal "a" führt das
gasförmige Isotopengemisch zur Düse "b", deren eine iie,grenzungswand "c" in die
S r,,haufel einer konventionellen Achsialturbine ausläuft.An der äusseren Begrenzungswand
"e" wird die schwere Fraktion "g" durch eine Kante ??d?? abgetrennt.Die leichte
Fraktion "f" verlässt den Leitkbrper und tritt in den hier nicht dargestellten Laufkorper
ein.
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Die Abtrennvorrichtung kann bei zentripetaler Strömung im Litkörper
auch einer Nähe der Welle,bezw. bei vorwiegender Reaktion auch im Laufkörper angeordnet
werden. Ein Unterschied zwischen dieser Abtrennvorrichtung und den bekannten Sammelkanilen
und Austrittsöffnungen für Kondensat in konventionellen Achsial-(Sattdampf)-urbinen
besteht darin, dass letzter im Übergangsbereich zwischen Lauf- und Leitelementen
angeordnet sind und flüssige Gemischbestandteile aufneiimen und ableiten, die im
Querstrom zur Haupt-Gasströmung nach aussen ausgeschleudert werden, während bei
der vorliegenden Anmeldung die Abtrennvorrichtung im Innern- des Lauf- bezw. Leitkörpers
liegt und ein dem Hauptgasstrom an der Trennatelle im wesentl.gleichlaufender Teilstrom
abgetrennt wird Der technische Fortschritt der Erfindung gegenüber den beschriebenen
Einzelapparaten besteht darin, dass es mit ihrer hilfe mUg--lich ist, einem vielstufigen
Trennprozess einen mehrstufigen Gasturbinenprozess zu überlagern, in dem ein erheblicher
Teil der eufgewendeten Verdichterarbeit rückgewonnen und damit das Trennverfahren
verbilligt wird. Zwischen den Stufen konventioneller
Achsial-oder
Radialmaschinen lassen sich Trennvorrichtungen der besciu'ie benen AusfUhrung ohne
erhebliche Beeinträchtigung der Strömungswege nicht einbauen. Bei Radialmaschinen
wird ausserdem jede Schaufel, die am Aussenumfang mit einer Neigung zur Radialen
ausläuft,durch Fliehkraft stark beansprucht.Bei den beschriebenen Tangentialmaschinen
steht dagegender Platz zum Einbau einer Abtrennvorrichtung ohne Störung des Strömungsverlaufes
zur Verfügung.Durch die Umlenkung der Strömungswege aus der radialen über eine tangentiale
in eine vorwiegend achsiale Richtung ist ferner die konstruktive Möglichkeit gegeben,
eine Pliehkraftbean -spruchung durch eine Überdeckung der Strömungswege auszuschalten.#
Der Verlauf des Gssturbinenprozesses ist in Fig.6 veranschaulicht: Das gasförmige
Isotopengemisch tritt bei "k" in den Kreislauf ein.
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Das (Umlauf) das wird in einer Arbeitsmaschine "l" verdichtet. Wird
diese bereits iider beschriebenen Bauart ausgeführt,dann kann ihrentsprechend dem
Zentrifugenverfahren- ein mit schweren Isotopen angereicherter Teilstrom gl entnommen
werden.Das Restgas wird im Vorwärmer "m" und anschliessend durch Wärme zufuhr von
aussen im Gaserhitzer "n" erwärmt und in der Tanentialmaschine "o" entspannt,der
ein schwerer Teilstrom "g2" entnommen wird.Nach Abkühlung im Wärmetauscher ; im
Kühler "p" wird das Restgas wieder dem Verdichter "l" des gleichen oder eines anderen
Teilprozesses zugeführt.Die schweren Teilströme können nach entsprechender Druck-und
Temperaturangleichung-letztere dargestellt in einem Wärmetauscher q"-ebenfalls weiteren
Kaskadenstufen zugeführt werden.Das Verfahren ist natürlich auch zur Trennung anderer
Gasgemische geeignet, bezw. zur Abscheidung oder Zuführung flüssiger Komponenten.
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Patentansprüche: 1.) Strömungsmaschine mit radialer, jedoch zumindest
im Bereich hoher Umfangsgéschwindigkeit im Schnitt senkrecht zur Achse tangential
verlaufender Strömung des Arbeitsmittels,dadurch gekennzeichnet,dass iE Innern des
Lauf undßoder Leitkörpers an geeigneter Stelle Abtrennvorrichtungen zur Trennung
des Hauptstromes in mindestens zwei Teilströme eingebaut sind0 2.) Strömungsmaschine
nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtungen mit verstellbarem
Abstand von der Fü1 rungswand ausgeführt werden.