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Turbine zur Entspannung von Gasen zum Zwecke der Erzeugung tiefer Temperaturen.
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dieser Arbeitsweise ist bisher jedoch noch nicht in befriedigender Weise gelungen, da die erzielte Temi peratursenkung zu klein war. Die Schwierigkeiten bestehen darin, dass die Gasmengen verhältnismässig klein sind, zumal in vielen Fällen nur ein Teil der Zerlegungsprodukte entspannt werden soll und ausser- dem das zu entspannende Arbeitsmittel wegen der tiefen Temperaturen sehr dicht ist. Auch ist das zu verarbeitende Wärmegefälle meist klein, wodurch die Verluste in den Zu-und Abströmleitungen stark zur Geltung kommen. Es ist also schwierig, einen günstigen inneren Wirkungsgrad hei der Entspannung zu erreichen ; ferner spielt die Wärmeeinstrahlung von aussen eine erhebliche Rolle.
Sie macht sich, im
Gegensatz zu Dampf-und Gasturbinen, die im Bereich hoher Temperatur arbeiten, in einer Verminderung der Temperatursenkung geltend.
Vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile. Gemäss der Erfindung wird das zu entspan- nende Gas in einer rasch laufenden Turbine entspannt, die aus einer oder einigen wenigen Stufen besteht und deren Laufkränze auf einem fliegenden Rad von kleinem Durchmesser angeordnet sind.
Die Welle wird ausschliesslich in dem Gehäuse der von der Turbine angetriebenen Maschine oder eines Getriebes gelagert. Durch die nur einseitige Lagerung des fliegenden Rades werden diejenigen
Kälteverluste, die durch den Wärmezustrom von den Lagern über die Welle zu dem in der Turbine ent- spannten Gas bedingt sind, stark herabgesetzt. Das Gehäuse der Turbine wird weiterhin nicht für sich abgestützt, sondern ausschliesslich an dem Gehäuse der angetriebenen Maschine oder des Getriebes
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hiedurch ein möglichst geringer Wärmezustrom zur Turbine stattfindet.
Die wärmeaufnehmende Oberfläche des Turbinengehäuses wird überhaupt so klein wie möglich gehalten und die Wärmeschutzpackungen von allen Seiten her in sehr wirksamer Weise angebracht und, wenn möglich, mit denen des Zerlegungsapparates vereint.
Die Zufuhr des zu entspannenden Gases aus dem Zerlegungsapparat zur Turbine, die Rüekleitung des entspannten Gases zu dem in den Zerlegungsapparat eingebauten Gegenströmer sowie das Durchströmen der nicht zur Arbeitsübertragung bestimmten Teile der Turbine erfolgt mit geringer Strömung geschwindigkeit und mit möglichst wenig Riehtungsänderungen. um Druckverluste zu vermeiden.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. In Fig. 1 bedeutet 1 den nicht näher dargestellten Trennungsapparat üblicher Bauart, 2 den Zuströmstutzen der Turbine..' ! die Düse.
J die Laufschauflung, 5 das Laufrad, 6 den Abströmstutzen. In diesem Falle findet die Strömung von aussen nach innen statt ; es ist aber ohne weiteres möglich, auch die umgekehrte Strömungsrichtung vorzusehen, d. h. das Gas von innen zuzuführen und aussen zum Gegenströmer zurückzuleiten. Diese Anordnung empfiehlt sich besonders, wenn mehr als eine Stufe vorgesehen wird.
Der Durchmesser des innersten Schaufelkranzes 4 kann im Grenzfall so klein gewählt werden, dass er den Durchmesser des
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turbinenseitigen Lager 13 nicht, wie üblich möglichst klein gehalten werden, er wird vielmehr mit Absicht, - entgegen-den konstruktiven Notwendigkeiten, grösser gewählt, so dass er etwa gleich oder sogar grosser ist als der Durchmesser des Turbinenlaufrades. Hiedurch wird zwar die Durchbiegung der Welle 10 erhöht und damit die kritische Umlaufzahl der, Turbine herabgesetzt. Dieser Nachteil kann jedoch dadurch behoben werden, dass das Rad 5 aus einem ; Baustoff von geringem spezifischem Gewicht, wie z. B.
Duraluminium, hergestellt wird, während für die Welle ein Material von hoher Festigkeit zur Anwendung kommt, das zweckmässig ein niedriges Wärnieleitvermögen besitzt. Das Baumaterial der Welle soll dabei ein Elastizitätsmass besitzen, das bei der Arbeitstemperatur nicht geringer als etwa 1'5. 106 ist. Hiefür sind beispielsweise Chromnickelstähle bzw. wärmevergütete Nickelstähle geeignet. Als Material für das Rad und die Beschaufelung kommen Leichtmetalle in Frage, insbesondere Aluminium oder vergütete Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Duraluminium, die bei geringem spezifischem Gewicht eine hohe und wenig temperaturabhängige Festigkeit besitzen. Bei dieser Bauart ist es auch möglich, ohne Überschreitung der kritischen Umlaufzahl so hohe.
Umfangsgeschwindigkeiten zu erreichen, dass für den inneren Wirkungsgrad der Turbine wesentlich günstigere Bedingungen als bisher erzielt werden.
.-. Um den Wärmezustrom von den umlaufenden Teilen der Turbine möglichst fern zu halten, wird
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Um die Wärmezufuhr durch die feststehenden Teile einzuschränken, wird das Gehäuse der Turbine beispielsweise durch einen schmalen Rundsteg 8 und durch den Flansch g mit dem Gehäuse 11 des Getriebes verbunden. Der Flansch wird ebenfalls zweckmässig ausgespart, gegebenenfalls kann noch eine Isolierschicht zwischengeschaltet werden. Man kann auch unter Umständen am Gehäuse der Turbine Pratzen anordnen, die an entsprechenden Vorsprüngen des Getriebegehäuses, am zweckmässigsten in der waagerechten Mittelebene, befestigt werden ; auch in diesem Falle kann man eine Isolierschicht Zwischenschalten.
Die ganze Turbine einschliesslich Zu- und Abströmleitungen wird allseits durch Isoliermaterial15 umhüllt, dessen Dicke, zumal auf der dem Trennungsapparat abgekehrten Seite, möglichst gross ist.
Durch die erhebliche Entfernung zwischen Turbine und Getriebegehäuse wird dies ermöglicht. Die hohe thermische Isolierung des expandierenden Gases gestattet es, die Lagerung der Welle olme Kälteverluste
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Vorstehend wurde eine Turbine gemäss der Erfindung mit Entspannung in einer Stufe beschrieben.
Sollten mehrere Stufen notwendig sein, so verwendet man ebenfalls, um die äusseren Abmessungen möglichst klein zu halten, nur einen Läufer. Man ordnet also entweder die Stufen radial an oder verwendet Geschwindigkeitsabstufung, indem man das Treibmittel beim Austritt aus den Schaufeln in einem Umkehrstück fasst und noch einmal dem Laufkranz zuführt. Im letzteren Falle wird das Umkehrstück erfin- dungsgemäss nach der Austrittsseite zu durch Zwischenschaufeln derart unterteilt, dass zwar der gesamte
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gegenüber der Einströmstelle in das Umkehrstück jedoch erheblich, sogar auf das 2-3fache erhöht wird.
Der freie Durchströmquerschnitt des Umkehrstückes wird also lediglieh entsprechend der in ihm auftretenden Strömung derart ausgebildet, dass Ablösungsersrheinungen vermieden werden. Dagegen wird der Beaufschlagungsgrad des Laufkranzes beim Wiedereinströmen des Treibmittels der verminderten Relativgeschwindigkeit angepasst. Der Austrittswinkel aus dem Umkehrstück kann dadurch so gewählt werden, dass das Wiedereinströmen des Treibmittels ohne Stossverluste erfolgt.
Der Erfindungsgedanke lässt sich sowohl bei Axial-als auch bei Radialturbinen verwirklichen.
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u. zw. derart, dass die Höhe von h1 nach h2 allmählich abnimmt; auch dadurch wird der Beaufschlagungsgrad b2 vergrössert. Wenn, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, das Umkehrstiiek wegen des kleinen Raddurchmessers einen erheblichen Teil des innerhalb des Laufkranzes verbleibenden Raumes einnimmt. empfiehlt es sieh, das Rad 20 (gemäss Fig. 3) kegelförmig auszubilden, wobei der Schwerpunkt des Rades
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von dem der Nabe in axialer Richtung erheblich abweicht. Hiedurch wird ausserdem der Schwerpunkt des Rades an das Lager gerückt und die kritische Drehzahl erhöht, ohne dass die Abstände des kalten expandierenden Gases von den wärmeren Teilen vermindert werden.
Das Umkehrstück gemäss der Erfindung lässt sieh auch für mehrmalige Geschwindigkeitsabstufung. verwenden, wenn es die Abmessung des Rades gestattet. Besondere Bedeutung besitzt es dann, wenn das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit zu der Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse gross ist, weil dann die Relativgeschwindigk : eit beim zweitmaligen Durchströmen des Laufkranzes erheblieh kleiner ist als beim erstmaligen Durchströmen.
Durch die vorstehend beschriebenen Anordnungen wird eine beträchtliche Temperatursenkung des durchströmenden Gases bei seiner Entspannung in der Turbine erzielt. Es sei besonders betont. dass es bei der Erzielung einer Temperatursenkung durch die Entspannung nicht genügt, wenn die Turbine im üblichen Sinne einen guten Wirkungsgrad besitzt. Der effektive, auch die mechanischen Verluste umfassende Wirkungsgrad besitzt für die Luftzerlegung nur eine untergeordnete Bedeutung. Anderseits ist aber ein hoher innerer Wirkungsgrad für sich allein im vorliegenden Falle nicht ausreichend. Wie man z.
B. an Hand eines Entropiediagramms ersehen kann, wird nämlich die innere Arbeit einer bei tiefen Temperaturen laufenden Turbine durch Wärmezufuhr aus der Umgebung erhöht, obwohl die Endtemperatur der Expansion dabei steigt. Dies muss aber im vorliegenden Falle vermieden werden ; es muss daher ausser für einen hohen inneren Wirkungsgrad der Turbine auch noch für eine vorzügliche thermische Isolierung gesorgt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Entspannung von Gasen unter Leistung äusserer Arbeit lässt sich mit einer Abkühlung durchführen, die mindestens der in Kolbenmaschinen erreichbaren entspricht. Besondere Bedeutung besitzt die Turbine nach der Erfindung für diejenigen Luftzerlegung-
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Temperatur der flüssigen Luft nur um einige Zehntel Atmosphären entspannt werden, weil bei diesen Kolbenmaschinen Betriebsschwierigkeiten auftreten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Erzeugung tiefer Temperaturen, insbesondere bei der Zerlegung von Luft oder andern Gasen durch ihre Verflüssigung, dadurch gekenn-
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wobei der Läufer aus einem fliegenden Rad von kleinem Durchmesser besteht und die Welle lediglich in dem Gehäuse der von der Turbine angetriebenen Maschine oder eines Getriebes derart gelagert ist. dass eine möglichst geringe Wärmeübertragung an das kalte Gas stattfindet.