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Entspannungsturbine Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbine zum Entspannen von Gas, z. B. von Kältemittel in Verbindung mit einer Kompressionskühlanlage, wie sie beispielsweise zur Verflüssigung von Gasen oder auch zur Luftkonditionierung verwendet werden.
Bei bisherigen Turbinen dieser Art ist zur Aufnahme der beim Entspannen des Gases frei werdenden Energie ein elektrischer Generator oder ein Gebläse mit der Turbine gekuppelt.
Demgegenüber liegt die Erfindung in einer flüssigkeitsgeschmierten Reibungs-Bremsvorrichtung zur Aufnahme der frei werdenden Turbinenenergie, mit welcher die Turbine eine bauliche Einheit bildet und welche - abgesehen vom Lager der Turbinenwelle das einzige Energie-Aufnahmeglied ist, das mit der Turbine in Verbindung steht. Auf eine besondere; mit der Turbine gekuppelte Maschine zur Umwandlung der frei werdenden Energie wird also verzichtet. Versuche haben ergeben, dass eine geschmierte Reibungsbremse bei Gasentspannungsturbinen ausreicht, um die frei werdende Turbinenenergie restlos aufzunehmen. Sie wird zum Teil von den gegeneinandergedrückten Gliedern der Bremsvorrichtung, zum Teil von dem dazwischen befindlichen Schmiermittel aufgenommen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist auf der Turbinenwelle eine mit ihr drehende Bremsfläche und an einem ortsfesten Teil ein dazu passendes, gegen die Bremsfläche bewegbares, gegen Drehung gesichertes Bremsglied angebracht. Vorteilhaft ist die Bremsfläche ein koaxial auf der Welle sitzender Konus und das Bremsglied ein ihm angepasster, in Achsrichtung beweglicher, beim Bremsen in Richtung der Vergrösserung des Konusumfanges auf den Konus aufzuschiebender Ring. Der Bremsring lässt sich besonders leicht einstellen. Demzufolge ist das Bremsglied bei einer Bauart der Erfindung einstell- bar, z. B. von Hand.
Bei einer andern Ausführungsform ist eine Einrichtung zum selbsttätigen Einstellen des Bremsgliedes in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl vorgesehen. Vorteilhaft enthält die Einstellvorrichtung einen Drehzahlregler, von dem aus das Bremsglied über weitere Steuerelemente um so näher an die Drehfläche bewegt wird, je höher die Turbinendrehzahl steigt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung setzt sich die Konusfläche am Ende des grössten Umfanges in eine zylindrische Fläche fort, die in einem ortsfesten Lager ist. Der Bremskonus ist also zugleich das eine, gelagerte Glied der Turbinenwelle.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäss ausgebildeten Entspannungsturbine in Verbindung mit einer Kompressionskühlanlage in schematischem Schnitt.
An einem konischen Hohlkörper 1 ist ein Turbinengehäuse 2 befestigt, das einen aus zwei Laufrädern bestehenden Rotor 3 umschliesst. Der Rotor sitzt auf einer Welle 4. Gehäuse 2 bildet einen ring- förmigen Zuführungsraum 5, an den eine Zuführungsleitung 6 für gas- oder dampfförmiges Kältemittel angeschlossen ist (Pfeil 30). Das Kältemittel tritt nach Entspannung in der Turbine über einen Stutzen 7 in eine Ablaufleitung 8 aus und strömt entsprechend Pfeil 31 ab. Die Turbine ist von einem Topf 28 umschlossen. Topf 28 ist mittels einer obern Platte 29 abgeschlossen, und es ist Vakuum in ihm aufrechterhalten. Leitung 31 ist durch Platte 29 nach aussen geführt.
Der Hohlkörper 1 umschliesst einen etwas kleineren, im übrigen aber ihm ähnlichen, konischen Hohlkörper 25, in dem eine Bremsvorrichtung und Lager für die fliegend gelagerte Turbinenwelle 4 untergebracht sind. In einem zylindrischen Hohlkörper 32 ist ein ein erstes Radiallager für Welle 4
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bildender Ring 33 eingesetzt, der zugleich Axiallager für die Welle ist. Ring 33 sitzt in einem Boden 34 des Körpers 32.
Im untern Teil von Körper 32 ist ein ein weiteres Radiallager für Welle 4 bildender Ring 35 gehalten, der einen hohlen, zylindrischen Teil 36 eines auf Welle 4 sitzenden, vorzugsweise mit ihr aus einem Stück bestehenden Drehkonusses 37 umschliesst. Die konische Fläche 38 von Konus 37 ist von einem koaxial zur Welle 4 angeordneten, in Achsrichtung verschiebbaren Bremsring 40 umgeben, der über Stangen 41, eine Platte 42 und eine ein Gewinde 43 aufweisende Schubstange 44 in Richtung der Wellenachse beweglich und über Gewinde 43, das sich an einem in Platte 29 eingesetzten Handrad 45 abstützt, einstellbar ist. Auf dem obern Teil von Welle 4 sitzt ein den Axialschub der Welle aufnehmender Lagerring 46.
Turbine 2, 3 und Bremsvorrichtung 37, 40 sind zusammengebaut, bilden also eine bauliche, ständig zusammengehörende Einheit.
Die Lagerteile 33, 35 und der Bremsring 40 enthalten Schmierölkanäle (angedeutet durch die Pfeile 61 bis 64), an die ölzuführungsleitungen 47, 48, 49 angeschlossen sind, die von einer aus einem Öl- sammelbehälter 50 kommenden, über eine Pumpe 51 und durch einen Kühler 52 geführten Sammel- leitung 53 abgezweigt sind. In dem zylindrischen Hohlkörper 32 sind gestrichelt eingezeichnete Schmiermittel-Ableitkanäle 55, 56, 57 angebracht.
Kanal 55 leitet das von unten gegen den Ring 46 geführte Öl aus Raum 58 in Kanal 56 (Pfeil 65), über den es zusammen mit dem durch Ring 33 an die Welle geführten, aus Raum 59 kommenden Öl in den Raum 66 geleitet wird (Pfeil 67). Entsprechend wird das zwischen Ring 40 und Konus 37 befindliche Öl mittels eines Fangringes 60 in Kanal 57 (Pfeil 68) und aus ihm in den Raum 66 geleitet (Pfeil 69). Das Öl zwischen den Teilen 35, 36 wird ebenfalls in Raum 66 abwärtsgeleitet (Pfeil 70) und zusammen mit dem übrigen Öl über eine Leitung 71 (Pfeil 73) in einen Schwimmerregler 72 geführt, durch welchen ein Eindringen von Gas in die Ölableitung 74, die an einen untern Auslauf anschliesst, verhindert wird.
An einen obern Auslauf des Schwimmerreglers ist eine über ein Drosselorgan 104 zu einer Schauflasche 75 führende Leitung 76 für Gas (Kältemittel) angeschlossen. Leitung 76 ist bis in die Schauflüssigkeit von Behälter 75 hineingeführt, so dass die durch den Behälter strömende Gasmenge sichtbar ist. Oben an dem Behälter 75 ist eine Gasausströmleitung 77 weggeführt, die in eine Leitung 78 mündet, welche zu einem unter konstantem Druck gehaltenen Gas- Sammelbehälter führt (Pfeil 79).
Der Druck des Gas-Sammelbehälters wirkt über eine Umgehungsleitung 80 auch direkt in dem öl-Sammelbehälter 50, so dass dort über dem Öl ein Gaskissen von konstantem Druck aufrechterhalten wird. Durch das Gaskissen wird vermieden, dass Luft in den Kältemittelkreislauf aus der Umgebung gelangt.
Welle 4 ist unter Zwischenschaltung einer Laby- rinthdichtung 21 aus Behälter 25 herausgeführt. An dem der Turbine abgekehrten Ende der Dichtung besitzt die Welle einen dünnen, als elastisches Zwischenglied und als Wärmedämmglied wirkenden Abschnitt 20, der sich in Prallflächen 83 für die über Dichtung 21 austretenden Leckgase fortsetzt. Der zylindrische Teil 36 des Konusses 37 ist glockenartig über das obere Ende der Dichtung 21 gestülpt, so dass die Leckgase durch den Zwischenraum 84 in den Raum 66 und aus ihm zusammen mit dem Schmieröl entsprechend Pfeil 73 über Leitung 71 abgeführt werden.
Der Schaubehälter 75 gestattet, in Verbindung mit dem Drosselorgan 104 und dem nicht gezeichneten Leckgas-Sammelbehälter, den Druck in dem Hohlraum des zylindrischen Teils 36 und in Raum 66 auf einer solchen Höhe zu halten, dass er ständig etwas tiefer liegt, als der Druck im Turbineninnern. Es strömt somit ständig etwas Kältemittel über Dichtung 21 aus, das über die Teile 76, 75, 78 in den Gas-Sammelbehälter geführt wird. Dadurch, dass der Druck in den Räumen 84, 66 ständig etwas gerin- ger ist als der Druck im Turbineninnern, ist dafür gesorgt, dass kein flüssiges oder dampfförmiges Öl durch Dichtung 21 hindurch in das Turbineninnere und damit in den Kältemittelkreislauf gelangt.
Durch Dichtung 21 ist die Verwendung einer Stopfbüchse vermieden, deren Bauart hinsichtlich der Trennung von Kältemittel gegen flüssiges oder dampfförmiges Schmiermittel und im Hinblick auf die hohen Drehzahlen einer Expansionsturbine auf erhebliche Schwierigkeiten stösst.
Während des Betriebes wird Ring 40 mittels des Handrades 45 so weit nach unten geschoben, wie es der Druck im Kältemittelkreislauf und die Drehzahl der Turbine erfordern, und zwar in der Weise, dass die Drehzahl der Turbine weder steigt noch sinkt. Durch das Vakuum in dem Hohlkörper 1 wird die in dem Körper 25 durch die Lager und die Bremse erzeugte Wärme von der Turbine und damit vom Kältemittelkreislauf ferngehalten.
Bei dem gezeichneten Beispiel, bei dem das Schmiermittel für die Bremsvorrichtung 40, 37 in einem Kreislauf zirkuliert, wird ein wesentlicher Teil der frei werdenden Turbinenenergie durch das Schmiermittel aufgenommen, das demzufolge gleichzeitig Kühlmittel für die Bremsvorrichtung ist.
Bei einer abgewandelten Bauart ist die Schubstange 44 mit einer selbsttätigen, sie auf- und abwärts bewegenden, in Abhängigkeit von der Turbinendrehzahl gesteuerten Einrichtung wirkungsverbunden, z. B. mit einem Drehzahlregler. Sobald die Turbinendrehzahl unerwünscht hoch ansteigt, wird der Bremsring 40 von dem Zentrifugalregler aus weiter abwärts geschoben, also auf den Konus 37 stärker aufgepresst, so dass kräftiger gebremst wird. Sinkt die Drehzahl, so wird dagegen der Bremsring 40 aufwärts bewegt, die Bremswirkung also verhindert. Die Turbinendrehzahl wird somit in einem konstanten Bereich gehalten.
Bei andern Bauarten enthält Leitung 71 und..-'oder
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Leitung 76 ein einstellbares Drosselorgan, durch das der Druck in den Räumen 84, 66 unter Beobachtung des den Behälter 75 durchsetzenden Gases geregelt werden kann.
Bei noch andern Bauarten ist die Bremsvorrichtung aus geschmierten Bremsbacken oder einem Bremsband gebildet, die an eine auf Welle 4 auf- gekeilte Scheibe gedrückt werden können, oder es ist auf Welle 4 eine scheibenförmige Bremsfläche angebracht, die zu beiden Seiten unter dem Druck von axial verschiebbaren, gegen Drehung gesicherten Gegenflächen steht. Schliesslich ist eine Ausführungsform möglich, bei der die Reibungs-Bremsvorrichtung mit einem Lager der Turbinenwelle vereinigt ist.
Das zu entspannende Gas kann beispielsweise Ammoniak, Wasserstoff usw. sein.