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.
Turbine for the expansion of gases for the purpose of generating low temperatures. When air is broken down by deep cooling, it is often useful to relax the air or the decomposition products while performing external work at low temperatures. It has already been suggested repeatedly that the expansion should be carried out in a turbine. However, the practical implementation of this method of operation has not yet succeeded in a satisfactory manner since. the temperature reduction achieved was too small.
The difficulties are that the amounts of gas are relatively small, especially since in many cases only some of the decomposition products are to be relaxed and, in addition, the working fluid to be relaxed is very tight because of the low temperatures. The heat gradient to be processed is usually small, which means that the losses in the inflow and outflow lines come into play. It is therefore difficult to achieve a favorable internal efficiency in the relaxation; Furthermore, the heat radiation from outside plays an important role.
In contrast to steam and gas turbines, which work exclusively in the high temperature range, it makes itself felt by reducing the temperature drop.
The present invention, which relates to a turbine for expanding gases for the purpose of generating low temperatures, eliminates these disadvantages. According to the invention, the gas to be expanded is expanded in a turbine, which consists of at least one stage and whose blades are arranged on a flying wheel.
The shaft is stored exclusively in the housing of the machine driven by the turbine or a gearbox. Due to the only one-sided storage of the flying wheel, those Kältever losses that are caused by the influx of heat from the bearings via the shaft to the gas relaxed in the turbine are greatly reduced. In the drawing, some Ausfüh approximately examples of the subject invention are shown.
In Fig.I, 1 denotes a separating apparatus of conventional construction, not shown in detail, 2 the,: inflow nozzle of the turbine, 3 the nozzle, 4 .the rotor blade, 5 the impeller, 6 the outflow nozzle. In this case the flow takes place from the outside to the inside; But it is easily possible to see the opposite direction of flow before, that is, lead zuzu the gas from the inside and BEZW outside to the separation apparatus. to return to the countercurrent. This arrangement is particularly recommended when more than one step is planned.
The inner diameter of the blade ring of the rotor blade 4 can be selected so small in the limiting case that it exceeds the diameter of the nozzle 6 by only a small amount. The turbine shaft 10 is mounted exclusively in the housing 11 of the Ge gear; 13 and 14 indicate the bearing shells of the two bearings. In order to keep the hal th gases as far away as possible from the men parts, the distance between the impeller's 5 and the turbine-side bearing 13 is not, as usual, kept as small as possible; rather, it is deliberately chosen to be larger than the usual structural necessities, so that it is roughly equal to or even larger than the diameter of the turbine runner.
Here, although the deflection of the while 10 is increased and thus the critical order speed of the turbine is reduced. This disadvantage can, however, be remedied by the fact that the wheel 5 is made of a building material with a low specific weight, such as duraluminium, while a material of high strength is used for the shaft, which expediently has a low thermal conductivity owns.
A material with a degree of elasticity that is not less than about 1.5.10B at the working temperature is advantageously chosen as the construction material for the shaft. For example, chrome-nickel steels or. heat-tempered nickel steels are suitable.
Light metals can be used as the material for the wheel and the blading, in particular aluminum or tempered aluminum alloys, such as duralumin, which have a high and little temperature-dependent strength due to their low specific weight.
With this design, it is also possible, please include, without exceeding the critical number of revolutions to achieve such high circumferential speeds that much more favorable conditions than before are achieved for the internal efficiency of the turbine.
In order to keep the flow of heat away from the rotating parts of the turbine as far as possible, the shaft 10 is designed to be hollow, so that the heat-conducting cross section is reduced without significant impairment of the strength. A recessed sleeve 12 is arranged between the shaft 10 and the bearing shell 13. The heat transfer can also be reduced by recesses in the hub of the wheel 5.
In order to limit the heat supply through the stationary parts, the housing 7 of the turbine is connected to the housing 11 of the transmission by a narrow round web 3 and by the flange 9. The flange can also expediently be saved, if necessary an insulating layer can also be interposed. It is also possible under certain circumstances to arrange claws on the housing of the turbine, which are attached to the corresponding projections of the gear housing, most expediently in the wag right center plane; In this case, too, an insulating layer can be inserted.
The entire turbine, including inflow and outflow lines, is encased on all sides by insulating material 15, the thickness of which is as large as possible, especially on the side facing away from the separation apparatus. This is made possible by the considerable distance between the turbine and the transmission housing. The good thermal insulation of the expanding gas allows the shaft to be stored at considerably higher temperatures than: the gases without significant cold losses, so that the usual lubricants can be used for the bearings.
The supply of the gas to be expanded from the decomposition device to the turbine, the return line of the expanded gas to the countercurrent built into the decomposition device, and the flow through the parts of the turbine not intended for the transfer of work take place at a low flow rate and with as few changes in direction as possible To avoid pressure losses.
Above, an example of a turbine was described according to the invention with relaxation in one stage. If several stages are necessary, it is also expedient to use, in order to: keep the outer dimensions as small as possible, only a single turbine runner. In this case, the steps can be arranged radially or speed gradations can be used by taking the propellant in a reversing piece the first time it comes out of the blades and feeding it to the same tread again.
In the latter case, the reversing piece can be subdivided towards the outlet side by means of intermediate blades in such a way that the entire flow cross-section of the reversing piece is only slightly increased in terms of the direction of flow, the degree of observation:
d when flowing back in, the propellant means in the tread opposite the E, in the flow source in the reversing piece, however, it is increased considerably, even two to three times. The free flow cross-section of the reversing piece can therefore only be designed in accordance with the flow occurring in it in such a way that separation phenomena are avoided. In contrast, the degree of loading of the running ring when the propellant flows in again can be adjusted by means of the reduced relative speed.
The exit angle from the reversing piece can: be chosen so that the propellant flows back in without any shock losses. A speed gradation of the specified type can be achieved for both axial and radial turbines.
In Figs. II and III an exemplary embodiment from a radial turbine with a reversing piece is partially illustrated. 16 denotes the first diffuser (nozzles), in which the expansion of the propellant takes place by means of; this can be complete, but some positive pressure effect can also be permitted. 17 means the blade, 18 the reversing piece.
As can be seen from FIG. II, the reversing piece is formed on the inlet side in the usual way; the degree of loading is determined by the arc length b. given. After the exit side to the reversing piece is divided by the intermediate blades 19. Of course, instead of two intermediate blades, depending on the circumstances, several or only one can be provided.
The degree of impact for the re-inflow of the propellant corresponds to the arc length b2, where b = considerably larger than b1.
In order to achieve the most favorable flow conditions possible, the reversing piece 18 is shown in FIG. III also made variable in height, namely: in such a way that the height gradually decreases from St. to 71.2; This also increases the degree of exposure b2.
If, as in the previous embodiment, the reversal piece because of the small wheel diameter takes a significant part of the space remaining within the tread, it is advisable to make the wheel 20 (ge according to Fig.III) conical, where the application of the wheel is further away from the turbine-side bearing than the center of gravity: the wheel. This also puts the focus: the wheel is moved to the bearing and the critical speed is increased without the distances between the cold expanding gas and the warmer parts being reduced.
The reversing piece can also be used for multiple speed gradations if the dimensions of the wheel allow. It is particularly important if the ratio of the circumferential oil to the exit speed from the nozzles is high, because then the relative speed when flowing through the tread twice is considerably lower than when flowing through the tread for the first time .
Through the turbine described above, a considerable temperature reduction of the gas flowing through is achieved with its relaxation in the turbine. It should be particularly emphasized that it is not sufficient to achieve a temperature reduction through the relaxation if the turbine has a good efficiency in the usual sense.
The effective efficiency, which also includes the mechanical losses, is only of secondary importance for the decomposition of gas mixtures through their liquefaction. On the other hand, however, a high internal efficiency is not sufficient in itself in this case. As can be seen, for example, from an entropy diagram, the internal work of a turbine running at low temperatures is increased by the supply of heat from the environment, although the final temperature of the expansion increases.
However, this must be avoided as far as possible in the decomposition of gases through their liquefaction; Therefore, apart from ensuring a high internal efficiency of the turbine, excellent thermal insulation must also be ensured.
With the new turbine for the expansion of gases while performing external work, cooling can be achieved that is at least equivalent to that which can be achieved in piston machines. The new turbine is particularly important for: those air separation processes in which: the air or the decomposition products to cover the cold dissipation are only expanded by a few tenths of an atmosphere at the temperature of liquid air, because at these low temperatures and the low pressure gradient in piston machines.