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Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Kälteerzeugung.
Im Stammpatent ist eine Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Kälteerzeugung geschützt, bei der der Läufer fliegend im Gehäuse der mit der Turbine gekuppelten, anzutreibenden Maschine oder des davor geschalteten Getriebes gelagert ist.
Vorliegende Erfindung bezweckt eine Erhöhung des Wirkungsgrades einer solchen Gas-oder
Luftturbine durch Anordnung eines Diffusors an der Ausströmseite des Treibmittels. Es ist bekannt, bei Dampf-oder Gasturbinen einen Diffusor hinter dem Laufrad anzuordnen, der durch zwei feste koaxiale Umdrehungsflächen begrenzt wird. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Verbesserung dieser Anordnung, insbesondere für Turbinen mit kleinem Wärmegefälle. Gemäss der Erfindung läuft die innere Umdrehungsfläche etwa in eine Spitze aus und sie erstreckt sich zweckmässigerweise nur über einen Teil der Länge des Diffusors, derart, dass das Treibmittel beim Ausströmen aus dem Diffusor nur noch durch die äussere Umdrehungsfläche geführt wird.
Dadurch erreicht man eine günstige strömungstechnische Energieumsetzung sowohl im Diffusor selbst als auch beim Austritt aus dem Diffusor, in die anschliessende Rohrleitung. Der Diffusor wird auf der der Lagerung des fliegenden Rades entgegengesetzte Seite angeordnet ; dadurch ist er in seiner Länge in keiner Weise begrenzt und es kann für die Querschnittszunahme das strömungstechnisch günstigste Verhältnis gewählt werden.
Die auf die Längeneinheit bezogene Erweiterung wird entsprechend einem Öffnungswinkel von 4 bis 120 gewählt. Die Geschwindigkeit des Treibmittels beim Ausströmen aus dem Diffusor kann beliebig niedrig gewählt werden und bei kleinem Wärmegefälle bis auf 5 bis 10 m/sec herabgesetzt werden.
Der neuartige Diffusor ist sowohl für Radial-als auch für Axialturbinen der geschilderten Bauart geeignet. Wird bei Radialturbinen das Rad von aussen nach innen durchströmt, was vor allem bei einer vorzusehenden Düsenregelung vorteilhaft ist, so dient der Diffusor zugleich zur Umlenkung der radialen Strömung in eine axiale. Dabei wird derjenige Teil des Diffusorkanals, der zugleich zur Umlenkung dient, zweckmässig mit einem geringeren Öffnungswinkel ausgeführt als der nachfolgende axiale, in dem nur die Energieumsetzung stattfindet. Die innere Umhüllungsfläche des Diffusors wird aus einem Blech aus Kupfer, Messing od. dgl. gebildet.
Aber auch die äussere Umhüllungsfläche kann in den meisten Fällen mit geringer Wandstärke ausgeführt werden, da der Enddruck bei Turbinen zum Zwecke der Kälteerzeugung in der Regel nur um ein geringes Mass höher ist als der Atmosphärendruck. Trotz der grossen Ausdehnung wird daher weder das Gewicht noch die Wärmekapazität der Turbine wesentlich erhöht.
Sofern die Turbine nur aus einer Stufe besteht und die Beaufschlagung veränderlich gemacht werden muss, wird gemäss der Erfindung weiterhin der Diffusorraum durch vorwiegende radiale Zwischenwände in Einzelräume unterteilt, deren jeder einer Düsengruppe entspricht. Die Trennwände erstrecken sich über den ganzen Verlauf des Diffusors und zerlegen ihn in mehrere Einzelräume, von denen jeder für sich durch ein Absperrorgan abgeschlossen werden kann. Die Zahl der Absperrorgane, die zweckmässig am Austrittsende des Diffusors angeordnet werden, entspricht der Anzahl der Düsensätze bzw. der Zuström-oder Regulierventile am Eintritt der Turbine.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele dargestellt. Fig. 1 bezieht sich auf eine Radialturbine. 1 ist das Getriebe, in dem die Welle 2 des fliegenden Rades 3 gelagert ist. Das z. B. aus
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in die Turbine und verlässt die Schaufeln 6 in radialer Richtung. Der aus der äusseren Mantelfläche 7 und der inneren Mantelfläche 8 bestehende Diffusor erfüllt hier sowohl die Aufgabe, die radiale Strömung in eine axiale umzulenken, als auch die Austrittsenergie des Treibmittels aus dem Laufrad möglichst weitgehend in Druckenergie umzusetzen. Der Mantel 8 erstreckt sich nicht über die ganze Länge des Diffusors.
Der freie Durchströmquerschnitt wird so ausgebildet, dass die Energieumsetzung zum grösseren Teil in dem zweiten, axialen Teil des Diffusors erfolgt, während der erste Teil, entsprechend einem geringeren Öffnungswinkel, hauptsächlich zur Umlenkung des Treibmittels dient.
Fig. 2 stellt die Anwendung der Erfindung für Axialturbinen dar. Auch hier wird der Diffusor durch die beiden Mantelflächen 7 und 8 gebildet.
Da im Innern des Diffusors sehr tiefe Temperaturen auftreten, so kann es sich empfehlen, der Zusammenziehung durch die Kälte durch ein Kompensationsrohrstück od. dgl. Rechnung zu tragen.
Dies kann, wie in Fig. 3 dargestellt, dadurch geschehen, dass an die äussere Mantelfläche des Diffusors 7 ein besonders wellenförmiges Ausgleichsrohr 9 angeschlossen wird. Um nicht dadurch Strömungverluste hervorzurufen, wird im Innern desselben ein an einem Ende gleitbares gewöhnliches Rohr aus dünnem Blech 10 eingelegt. Will man die Baulänge verkleinern, so kann man auch, wie in Fig. 4 dargestellt, das wellenförmige Ausgleichrohr 9 ausserhalb des Diffusors anordnen, wobei aber die Anordnung eines weiteren Blechmantels 11 nötig wird, der die Verbindung mit dem Turbinengehäuse bildet. In diesem Falle ist die Diffusorwand 7 an ihrem Austrittsende gleitbar angeordnet.
Fig. 5 a und 5 b beziehen sich auf den Fall, dass die Turbine nur aus einer Druckstufe besteht und dass die Beaufschlagung veränderlich ist. In diesem Falle wird der Diffusor durch Zwischenwände 12 unterteilt, so dass bei Teilbeaufschlagung auch der Diffusor nur teilweise durch das Treibmittel durchströmt wird. Absperrorgane 13, welche durch Handräder 14 betätigt werden, schliessen die entsprechenden Querschnitte ab. Diese Absperrorgane werden zweckmässig am Austrittsende des Diffusors angeordnet.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Kälteerzeugung nach Patent Nr. 141766 durch Anordnung eines aus zwei koaxialen festen Umdrehungsflächen bestehenden Diffusors auf der Ausströmseite des Laufrades, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Umdrehungsfläche ungefähr in eine Spitze ausläuft und wobei sich die innere Umdrehungsfläche nur über einen Teil des Diffusors zu erstrecken braucht.