Turbine zur Entspannung von Gasen zum Zwecke der Erzeugung tiefer Temperaturen. Bei der Zerlegung von Luft .durch Tief kühlung ist es oft zweclzmässig, die Luft oder die Zerlegungsprodukte unter Leistung äusserer Arbeit bei tiefen Temperaturen zu entspannen. Es ist schon wiederholt vor- geschlaben worden, die Entspannung in einer Turbine vorzunehmen. Die praktische Durchführung dieser Arbeitsweise ist bisher jedoch noch nicht in befriedigender Weise gelungen, da. die erzielte Temperatursenkung zu klein war.
Die Schwierigkeiten bestehen darin, dass die Gasmengen verhältnismässig klein sind, zumal in vielen Fällen nur ein Teil der Zerlegungsprodukte entspannt wer den soll und ausserdem das zu entspannende Arbeitsmittel wegen der tiefen Temperaturen sehr dicht ist. Auch ist das zu verarbeitende Wärmegefälle meist klein, wodurch die Ver luste in den Zu- und Abströmleitungen starb zur Geltung kommen. Es ist also schwierig, einen günstigen innern Wirkungsgrad bei der Entspannung zu erreichen; ferner spielt die Wärmeeinstrahlung von aussen eine er- hebliche Rolle.
Sie macht sich, im Gegen satz zu Dampf- und Gasturbinen, die aus schliesslich im Bereich hoher Temperatur arbeiten, in einer Verminderung der Tempe ratursenkung :geltend.
Vorliegende Erfindung, die eine Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Erzeugung tiefer Temperaturen betrifft, be seitigt diese Nachteile. Gemäss der Erfin dung wird das zu entspannende Gas in einer Turbine entspannt, die aus wenigstens einer Stufe besteht und deren Laufschaufeln auf einem fliegenden Rad 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 flie genden Rades werden diejenigen Kältever luste, die durch den Wärmezustrom von den Lagern über die Welle zu dem in der Tur bine entspannten Gas bedingt sind, stark herabgesetzt. In der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
In Fig.I bedeutet 1 einen nicht näher, dargestellten Trennungsapparat üblicher Bau art, 2 den,: Zuströmstutzen der Turbine, 3 die Düse, 4 .die Laufschaufelung, 5 das Lauf-' rad, 6 den Abströmstutzen. In diesem Falle findet die Strömung von aussen nach innen statt; es ist aber ohne weiteres möglich, auch die umgekehrte Strömungsrichtung vor zusehen, das heisst das Gas von innen zuzu führen und aussen zum Trennungsapparat bezw. zum Gegenströmer zurückzuleiten. Diese Anordnung empfiehlt sich besonders, wenn mehr als eine Stufe vorgesehen wird.
Der innere Durchmesser des Schaufelkranzes der Laufschaufelung 4 kann im Grenzfalle so klein gewählt werden, dass er den Durch messer -des Stutzens 6 nur um ein geringes Mass überschreitet. Die Turbinenwelle 10 ist ausschliesslich in dem Gehäuse 11 des Ge triebes gelagert; 13 und 14 bedeuten die Lagerschalen der beiden Lager. Um die hal ten Gase möglichst entfernt von den war men Teilen zu halten, ist der Abstand zwi schen Laufrad 5 und ,dem turbinenseitigen Lager 13 nicht, wie üblich, möglichst klein gehalten; er ist vielmehr mit Absicht, ent gegen den .gewöhnlichen konstruktiven Not wendigkeiten, grösser gewählt, so dass er etwa gleich oder sogar grösser ist als der Durchmesser des Turbinenlaufrades.
Hier durch wird zwar ,die Durchbiegung der Weile 10 erhöht und damit die kritische Um laufzahl der Turbine herabgesetzt. Dieser Nachteil kann jedoch dadurch behoben wer den, dass .das Rad 5 aus einem Baustoff von geringem spezifischem Gewicht, wie zum Beispiel Duraluminium, hergestellt wird, während für die Welle ein Material von hoher Festigkeit zur Anwendung kommt, das zweckmässig ein niedriges Wärmeleitver- mögen besitzt.
Dabei wird als Baumaterial der Welle vorteilhaft ein Material mit einem Elastizitätsmass gewählt, das bei der Ar beitstemperatur nicht geringer als etwa 1,5.10B ist. Hierfür sind beispielsweise Chromnickelstähle bezw. wärmevergütete Nickelstähle geeignet.
Als Material für das Rad und die Beschaufelung kommen Leicht metalle in Frage, insbesondere Aluminium odervergütete Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise Duraluminium, die hei ge- ringem spezifischem Gewicht eine hohe 1 und 'wenig temperaturabhängige Festigkeit besitzen.
Bei dieser Bauart ist es auch mög lich, ohne Überschreitung der kritischen Umlaufzahl so hohe Umfangsgeschwindig keiten zu erreichen, dass für den innern Wir kungsgrad der Turbine wesentlich günstigere Bedingungen als bisher erzielt werden.
Um den Wärmezustrom von den um laufenden Teilender Turbine-möglichst fern zu halten, ist die Welle 10 hohl ausgeführt, so dass der wärmeleitende Querschnitt ohne wesentliche Beeinträchtigung der Festigkeit verkleinert wird. Zwischen der Welle 10 und der Lagerschale 13 ist eine ausgesparte Büchse 12 angeordnet. Durch Aussparungen in der Nabe des Rades 5 kann gleichfalls die Wärmeübertragung herabgesetzt werden.
Um die Wärmezufuhr durch die fest stehenden Teile einzuschränken, ist das Ge häuse 7 der Turbine .durch einen schmalen Rundsteg 3 und durch den Flansch 9 mit dem Gehäuse 11 des Getriebes verbunden. Der Flansch kann ebenfalls zweckmässig aus gespart werden, gegebenenfalls kann noch eine Isolierschicht zwischengeschaltet wer den. Man kann auch unter Umständen am Gehäuse der Turbine Pratzen anordnen, die an entsprechenden Vorsprüngen des Getriebe gehäuses, am zweckmässigsten in der wag rechten Mittelebene befestigt werden; auch in diesem Falle kann man eine Isolierschicht zwnschens chalten.
Die ganze Turbine einschliesslich Zu- und Abströmleitungen ist allseits durch Isolier material 15 umhüllt, .dessen Dicke, zumal auf der dem Trennungsapparat abgekehrten Seite, möglichst gross ist. Durch die erheb liche Entfernung zwischen Turbine und Ge triebegehäuse wird dies ermöglicht. Die gute thermische Isolierung des expandierenden Gases gestattet es, die Lagerung der Welle ohne wesentliche Kälteverluste auf beträcht lich höheren Temperaturen als :die Gase zu halten, so dass die gewöhnlichen Schmier mittel für die Lager verwendet werden können.
Die Zufuhr des zu entspannenden Gases aus dem Zerlegungsapparat zur Turbine, die Riiekleitung des entspannten Gases zu .dem in den Zerlegungsapparat eingebauten Gegen strömer, sowie das Durchströmen der nicht zur Arbeitsübertragung bestimmten Teile der Turbine erfolgt mit geringer Strömungs geschwindigkeit und mit möglichst wenig Richtungsänderungen, um Druckverluste zu vermeiden.
Vorstehend wurde ein Beispiel einer Tur bine gemäss der Erfindung mit Entspannung in einer Stufe beschrieben. Sollten mehrere Stufen notwendig sein, so verwendet man zweckmässig ebenfalls., um :die äussern Ab messungen möglichst klein zu halten, nur ein einziges Turbinenlaufrad. Man kann in die sem Fall die Stufen radial anordnen oder G esehwindigkeitsabstufunb verwenden, indem man das Treibmittel beim erstmaligen Aus tritt aus den Schaufeln in einem ITmkehr- stück fasst und noch einmal dem gleichen Laufkranz zuführt.
In letzterem Fahle kann das Umkehrstück nach der Austrittsseite zu durch Zwischenschaufeln derart unterteilt werden, :dass zwar der gesamte Durch- strömquerschnitt des Umkehrstückes nur in geringem Masse im Sinne der Strömungs richtung vergrössert wird, der Beaufsehla- gungsgra:
d beim Wiedereinströmen,des Treib mittels in den Laufkranz gegenüber der E,in- strömquelle in das Umkehrstück jedoch er heblich, sogar auf das zwei- bis dreifache erhöht wird. Der freie Durchströmquerschnitt des Umkehrstückes kann also lediglich ent sprechend der in ihm auftretenden Strömung derart ausgebildet werden, dass Ablösungs erscheinungen vermieden werden. Dagegen kann der Beaufschlagungsgrad des Lauf kranzes beim Wiedereinströmen des Treib mittels der verminderten Relativgeschwindig keit angepasst werden.
Der Austrittswinkel aus dem Umkehrstück kann :dabei so gewählt werden, dass das Wiedereinströmen des Treib mittels ohne Stossverluste erfolgt. Es lässt sich sowohl bei Axial-, als auch bei Radial turbinen eine Geschwindigkeitsabstufung in der angegebenen Art verwirklichen.
In den Fig. II und III ist je ein Aus führungsbeispiel einer Radialturbine mit einem Umkehrstück teilweise veranschau licht. 16 bedeutet den ersten Leitapparat (Düsen), in :dem die Entspannung des Treib mittels erfolgt; diese kann vollständig sein, es kann aber auch etwas Überdruckwirkung zugelassen werden. 17 bedeutet die Lauf- schaufelung, 18 das Umkehrstück.
Wie aus Fig. II hervorgeht, ist d @as Umkehrstück auf der Eintrittsseite in der üblichen Weise aus ,gebildet; der Beaufschlagun@gsgrad ist durch .die Bogenlänge b,. gegeben. Nach der Aus trittsseite zu ist das Umkehrstück durch die Zwischenschaufeln 19 unterteilt. Natürlich können an Stelle von zwei Zwischenschaufeln je nach Umständen deren mehrere oder auch nur eine vorgesehen werden.
Der Beauf- schlagunbgrad für das Wiedereinsträmen des Treibmittels entspricht der Bogenlänge b2, wobei b= erheblich .grösser als b1 ist.
Um möglichst günstige 'Strömungsverhält nisse zu erzielen, ist das Umkehrstück 18 gemäss F'ig. III auch noch in seiner Höhe veränderlich ,gemacht, und zwar :derart, dass .die Höhe von hl nach 71,2 allmählich ab nimmt; auch dadurch wird der Beaufschla- gungsgrad b2 vergrössert.
Wenn, wie im vor liegenden Ausführungsbeispiel, das Umkehr stück wegen des kleinen Raddurchmessers einen erheblichen Teil des innerhalb des Laufkranzes verbleibenden Raumes ein nimmt, empfiehlt es sich, das Rad 20 (ge mäss Fig.III) kegelförmig auszubilden, wo bei die Beaufschlagung des Rades weiter vom turbinenseitigen Lager entfernt ist als der Schwerpunkt :des Rades. Hierdurch wird ausserdem der Schwerpunkt :des Rades an das Lager gerückt und die kritische Drehzahl er höht, ohne dass die Abstände des kalten expandierenden Gases von den wärmeren Tei len vermindert werden.
Das Umkehrstück lässt sich auch für mehrmalige Geschwindigkeitsabstufung ver wenden, wenn es die Abmessung des Rades gestattet. Besondere Bedeutung besitzt es dann, wenn das Verhältnis der Umfangs- eso ligkeit zu der Austrittsgeschwin- g 'hwinc digkeit aus .den Düsen gross ist, weil dann .die Relativgeschwindigkeit beim zweitmaIi- gen Durchströmen des Laufkranzes erheb lich kleiner ist als beim erstmaligen Durch strömen.
Durch die vorstehend beschriebene Tur bine wird eine beträchtliche Temperatur senkung des durchströmenden Gases bei sei ner Entspannung in der Turbine erzielt. Es sei besonders betont, dass es beider Erzielung einer Temperatursenkung durch die Entspan nung nicht genügt, wenn die Turbine im üblichen Sinne einen guten Wirkungsgrad besitzt.
Der effektive, auch die mechanischen Verluste umfassende Wirkungsgrad besitzt für die Zerlegung von Gasgemischen durch ihre Verflüssigung nur eine untergeordnete, Bedeutung. Anderseits ist aber ein hoher innerer Wirkungsgrad für sich allein in die- sein Falle nicht ausreichend. Wie man zum Beispiel anhand eines Entropiediagrammes ersehen kann, wird nämlich die innere Arbeit einer bei tiefen Temperaturen laufenden Tur bine durch Wärmezufuhr aus der Umgebung erhöht, obwohl die Endtemperatur der Expansion dabei steigt.
Dies muss aber bei der Zerlegung von Gasen durch ihre Verflüs sigung -möglichst vermieden werden; es muss daher ausser für einen hohen innern Wir kungsgrad der Turbine auch noch für eine vorzügliche thermische Isolierung gesorgt werben.
Mit der neuen Turbine zur Entspannung von Gasen unter Leistung äusserer Arbeit lässt sich eine Abkühlung erreichen, die min destens der in golbenmaschinenerreichbaren entspricht. Besondere Bedeutung besitzt die neue Turbine für :diejenigen Luftzerlegunge- verfahren, bei :denen :die Luft oder die Zer legungsprodukte zur Deckung der Kältever loste etwa bei der Temperatur der flüssigen Luft nur um einige Zehntelsatmosphären ent- spannt werden, weil bei diesen tiefen Tem peraturen und dem geringen Druckgefälle bei Kolbenmaschinen Betriebsseh -ieriglkeiten auftreten.