Aus Turbine und von ihr angetriebenem, elektrischem Generator bestehende Maschinengruppe Die Erfindung bezieht sich auf eine aus Turbine und von ihr angetriebenem, elektrischem Generator bestehende Maschinengruppe, mit festem Lager für die Rotoren beider Maschinen.
Bei bekannten Maschinengruppen dieser Art sind der Turbinenrotor und der Generatorrotor auf ge trennten Wellen angebracht und beide Rotoren sind miteinander gekuppelt. Es ist auch bereits bekannt, beide Rotoren auf einer gemeinsamen Welle anzu bringen, die zwischen Turbine und Generator das eine Lager besitzt. Schliesslich ist eine Bauart be kannt, bei der die beiden Rotoren während des Be triebes vollkommen frei, also ohne Lagerung, in einem Gasstrom schweben und bei der notwendigerweise die Rotoren mittels nahe dem Umfang gelegener, ein zelner Zwischenstreben unter Freilassung eines Zwi schenraumes miteinander verbunden sind.
Demgegenüber liegt die Erfindung darin, dass die Rotoren der beiden Maschinen derart zu einer bau lichen Einheit von geschlossener Form vereinigt sind, dass sie unmittelbar aneinander anschliessen. Die Ro toren können hierbei aus einem Stück bestehen. Die neue Maschinengruppe eignet sich besonders für hohe Drehzahlen der Rotoren, weil die bauliche Ein heit der beiden Rotoren nicht auf einer langen Welle angeordnet sein muss, so dass sich ohne weiteres er reichen lässt, dass die Betriebsdrehzahl ausreichend weit unterhalb der kritischen Drehzahl bleibt, weil diese entsprechend hoch liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung be stehen die beiden Rotoren aus einem Stück. Vorteil haft sind die vereinigten Rotoren auf einer einseitig gehaltenen Welle gelagert. Bei einer Bauart hat die Welle in ihrem von den Rotoren freigelassenen Be reich einen dünnen, als elastisches Zwischenglied wirksamen Abschnitt. Durch diesen Abschnitt wird es möglich, dass sich die feststehende Welle während des Betriebes auf die durch den Schwerpunkt der Rotoreneinheit gehende, tatsächliche Drehachse ein stellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit auf Druckgas gelagerten Rotoren ist die Welle hohl und hat Zuführungskanäle für das Lagerdruckgas, die so angeordnet sind, dass die Rotoren in radialer und axialer Richtung durch das Druckgas gehalten sind. Diese Bauart eignet sich besonders für Kom pressionskühlanlagen, bei denen das komprimierte gasförmige Kältemittel über die Turbine der Maschi nengruppe entspannt wird.
Die dabei freiwerdende Energie wird dabei über den elektrischen Generator in elektrische Leistung umgewandelt, die sich in von der Maschinengruppe räumlich getrennten Apparaten verbrauchen lässt, so dass praktisch keine aus der frei werdenden Energie entstehende Wärme in den Kälte- mittelkreislauf der Kühilanlage gelangen kann.
Bei einer Ausführungsform ist das das Lager verlassende Kältemittel über einen ein Drosselorgan enthaltenden Kanal nach aussen geführt, und die Öffnung des Drosselorgans ist so bemessen, dass der Druck des Lagerkältemittels gleich dem Druck des in die Turbine eintretenden Kältemittels ist. Es kann dann beliebiges Lagergas verwendet werden, auch solches, das mit dem Kältemittelkreislauf nicht oder nicht an dieser Stelle in Berührung kommen darf. Wegen der Druckregelung kann kein Lagergas in das Turbinengas oder umgekehrt strömen.
Bei einer erfindungsgemäss ausgebildeten Maschi nengruppe für eine Kompressionskühlanlage ist vor teilhaft als Lagerdruckgas dem Kreislauf der Kühl anlage entnommenes, gasförmiges Kältemittel verwen det. Das als Lagerdruckgas benutzte Kältemittel wirkt gleichzeitig wärmeisolierend gegen den Kältemittel kreislauf. Im Generator selbst entsteht nur Wärme durch die Verluste, und diese Wärme wird durch das L agerdruckgas abgeführt.
Bei einer andern Bauart ist das das Lager verlas sende Kältemittel über einen die Turbine umgehen den Kanal hinter der Turbine, also auf der Austritts seite der Turbine, wieder dem Kreislauf zugeführt. Das das Lager des Generatorrotors verlassende Kälte mittel, das wegen der Lagerreibung und den Genera torverlusten etwas wärmer ist als vor Zuführung in das Lager, wird dann nicht in die Turbine geleitet, so dass der zwischen dem Lager und der Austrittsseite der Turbine vorhandene Druckunterschied dahin aus gewertet wird, dass das Lagergas ohne weiteres in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt wird.
Der Tur binenrotor ist zweckmässig auf der der Schaufelseite abgekehrten Rückseite ebenfalls dem auf der Schau felseite herrschenden Druck ausgesetzt, so dass die Rückseite eine Gegenfläche bildet, Vorder- und Rückfläche also nach Art eines Ausgleichs-Druck- kolbens wirken. Bei einer Ausführungsform ist der den Rotor umgebende Kältemittel führende Raum gegen den den Rotor des Generators umgebenden Lagerdruckgas führenden Raum durch eine Laby- rinthdichtung abgedichtet.
Durch sie wird vermieden, dass Kältemittel aus der Turbine in das Lager des Generatorrotors oder Lagerkältemittel auf umgekehr tem Weg in die Turbine gelangt.
Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Rotoren im Stator des Generators gelagert. Statt in ihrem Innern sind die Rotoren also nunmehr aussen gelagert. Als Genera torrotor lässt sich zum Beispiel ein Klotzrotor oder ein gewöhnlicher, lamellierter Rotor mit Kupfer stäben verwenden.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Maschinengruppe, Fig.2 ein Schnitt durch eine abgewandelte Bau art der beiden Rotoren, Fig.3 ein Schnitt durch einen Teil eines dritten Ausführungsbeispiels in grösserem Massstab und Fig.4 ein Schnitt durch eine vierte Bauart.
In einem Maschinengehäuse 1, das einen Tur bine und Generator aufweisenden topfförmigen Un terteil besitzt und das in dem in Fig. 1 obern Teil bei 47 erweitert ist und dort die eine Hälfte eines Turbinenringkanals 2 bildet, der durch einen ring förmigen, aufgeschweissten Deckel 3 abgeschlossen ist, sind ein Rotor 4 einer Turbine und ein Rotor 5 eines elektrischen Generators untergebracht.
Zu der Turbine gehört ausser den Teilen 2 bis 4 der zwischen dem Raum 2 und dem Rotor 4 eingebaute, Leitschau- feln 51 aufweisende Leitapparat 6, zu dem elektri schen Generator ausser Rotor 5 ein Stator 7 mit Wicklungsköpfen B. Die Turbine 2, 3, 4, 6 liegt im Kreislauf einer Kompressionskühlanlage; das in Raum 2 eingeführte, über Kanal 9 in den Leitappa- rat 6 und durch den Rotor 4 geführte, gasförmige Kältemittel wird nach Entspannung über einen in einem auf das Gehäuse 1 mittels Schrauben 10 auf geschraubten Deckel 46 angebrachten Auslaufstut zen 11 in eine zu dem Kühlgut führende Leitung ge leitet.
Bei der Entspannung freiwerdende Energie wird von dem Generator 5, 7 in elektrische Energie um gewandelt, welche in von der Maschinengruppe und der Kühlanlage räumlich entfernt angeordneten, nicht gezeichneten, elektrischen Heizwiderständen vernichtet wird. Der topfförmige Gehäuseunterteil hat oben den den Raum 2 enthaltenden Ringansatz.
Die beiden Rotoren 4, 5 bestehen bei dem Aus führungsbeispiel nach Fig.1 aus einem Stück und sind fliegend auf einer einseitig gehaltenen Welle 12 gelagert. Sie hat eine Bohrung 13, in die über eine Zuführungsleitung 14 und einen in Gehäuse 1 an gebrachten Kanal 15 gasförmiges Kältemittel, das gegebenenfalls ausser der normalen Kompression einer zusätzlichen Kompression unterworfen ist, eingeleitet wird. Das Kältemittel wird über Zuführungskanäle 16 in in der Welle 12 angebrachte Kammern 17 weiter geführt, von hier zwischen Welle 12 und Rotor 5 hindurch in Auslaufkanal 18, einem Ringraum 19 und einem gestrichelt eingezeichneten Umgehungs kanal 20 zugeführt, durch den die Turbine 2 bis 6 umgangen wird. Hinter Kanal 20 gelangt das Lager kältemittel durch Raum 21 in den Austrittsstutzen 11.
Das in dieser Weise geleitete Kältemittel dient zur radialen Lagerung der beiden Rotoren 4, 5. Sie sind jedoch auch in axialer Richtung auf Kältemittel ge lagert; Welle 12 enthält nämlich ausser den Kanälen 16 auch einen Kanal 22, der in auf der untern Stirn seite der Rotoreneinheit 4, 5 liegende Räume 23 mün det. Von hier aus gelangt das Axialdruck ausübende Kältemittel über einen Kanal 24 in den zwischen Rotor 5 und Stator 7 gebildeten Ringraum 19 und weiter, wie oben beschrieben, in den Auslaufstut zen 11.
Auf der den Turbinenschaufeln 25 des Rotors 4 abgekehrten Seite hat der Rotor 4 eine konische Flä che 26, die unter gleichem Druck wie die Schaufel fläche steht, so dass beide Flächen zusammen nach Art eines Differentiald'ruckkolbens wirken, der axiale Lagerdruck also gering ist. In Leitapparat 6 sind gegenüber der Fläche 26 Labyrinthe 27 angebracht, durch die verhindert wird, dass Lagerkältemittel aus dem den Rotor des Generators umgebenden Raum 19 in die Einlaufseite der Turbine, d. h. in den den Ro tor der Turbine umgebenden Raum 50 oder um gekehrt Kältemittel von dort in das Lager der Roto- reneinheit 4, 5 gelangt.
Der zwischen dem Lagerkälte mittel und der Austrittsseite der Turbine herrschende Druckunterschied verursacht ein natürliches Abströ men des in Raum 19 ankommenden Lagerkältemittels durch den Umgehungskanal 20.
Durch die Bauart des Gehäuses 1 wird das Zu sammenbauen der Teile erleichtert. Das Gehäuse be steht im wesentlichen aus den beiden zusammen geschweissten Teilen 1 und 3 und dem darauf auf geschraubten Deckel 46. Beim Einbau werden bei abgenommenem Deckel sämtliche innern Teile ein, fach von oben eingeschoben; begonnen wird mit Welle 12, es folgen Stator 7, der untere Teil des Leit- apparates 6, Rotoreinheit 4, 5 und oberer Teil des Leitapparates 6. Darauf wird der Deckel aufge schraubt. Der den Ringkanal 2 der Turbine enthal tende obere Ansatz 47 von Gehäuse 1 ist als Flansch ausgebildet.
Wie ersichtlich, sind die beiden Rotoren zu einer baulichen Einheit von geschlossener Form vereinigt, derart, dass sie unmittelbar aneinander anschliessen.
Bei der Bauart nach Fig. 2 ist die Rotoreinheit 4a, 5a zweiteilig. Der Generatorrotor 5a enthält elektri sche Verbindungselemente 8a, auf deren obere Enden unmittelbar der Turbinenrotor 4a aufgeschoben ist, die Rotoren 4a, 5a sind damit unter Formschluss kompakt aneinandergefügt. Die in Welle 12a und Rotor 5a angebrachten Lagermittel-Leitkanäle sind in Fig.2 der Einfachheit halber weggelassen.
Bei dem Beispiel nach Fig. 3 besitzt die Welle 12 in der Figur unten einen dünnen Abschnitt 31, der als elastisches Zwischenglied wirkt. Die bei vollkom men starrer Welle 12 möglicherweise von deren Achse infolge von Bearbeitungsungenauigkeiten etwas abweichende, durch den tatsächlichen Schwerpunkt der Rotoreneinheit 4, 5 gehende Achse wird dann mit der Achse der Welle auf jeden Fall identisch, weil sich die Wellenachse in die Schwerpunktachse der Rotoreneinheit stellen kann.
Im Gegensatz zu der Bauart nach Fig.1, wo die Rotoreneinheit 4, 5 innen gelagert ist, ist die Roto- reneinheit 4b, 5b bei der Ausführungsform nach Fig.4 aussen gelagert, und der Stator 7b ist selbst als Lager verwendet. Das Gehäuse 1b enthält eine Boh rung 15b, durch die das Lagerkältemittel zugeführt wird und an die sich Verteilkanäle 16b anschliessen. Sie münden in Ringräume 17b, von denen das Kälte mittel in radial stehende, in Fig.4 gestrichelt ein gezeichnete Kanäle 35 und in Kammern 36 gelangt.
Von hier wird das Lagerkältemittel zwischen dem Innenumfang des Stators 76 und dem Rotor 5b hin durch entweder unmittelbar über den Abschnitt 37 oder über Ringraum 38 und einen Schrägkanal 39 oder schliesslich über Abschnitt 40 und einen in dem Stator 7b angebrachten Auslaufkanal 41 in einen zwischen Turbine und Stator gebildeten Auslauf raum 42 geleitet.
A machine group consisting of a turbine and an electric generator driven by it The invention relates to a machine group consisting of a turbine and an electric generator driven by it, with fixed bearings for the rotors of both machines.
In known machine groups of this type, the turbine rotor and the generator rotor are mounted on separate shafts and both rotors are coupled together. It is also already known to bring both rotors on a common shaft that has a bearing between the turbine and generator. Finally, a design is known in which the two rotors float completely freely during operation, i.e. without storage, in a gas stream and in which the rotors are necessarily connected to one another by means of individual intermediate struts located close to the circumference, leaving an intermediate space .
In contrast, the invention lies in the fact that the rotors of the two machines are combined to form a structural unit of closed shape in such a way that they directly adjoin one another. The rotors can consist of one piece. The new machine group is particularly suitable for high rotor speeds because the structural unit of the two rotors does not have to be arranged on a long shaft, so that the operating speed remains sufficiently far below the critical speed because this is correspondingly high.
In one embodiment of the invention be the two rotors are in one piece. The combined rotors are advantageously mounted on a shaft held on one side. In one type of construction, the shaft has a thin portion acting as a resilient intermediate member in its free from the rotors Be rich. This section makes it possible for the stationary shaft to adjust to the actual axis of rotation that goes through the center of gravity of the rotor unit during operation.
In an embodiment of the invention with rotors mounted on pressurized gas, the shaft is hollow and has supply channels for the pressurized bearing gas, which are arranged such that the rotors are held in the radial and axial directions by the pressurized gas. This design is particularly suitable for compression cooling systems in which the compressed gaseous refrigerant is expanded via the turbine of the machine group.
The energy released is converted into electrical power by the electric generator, which can be consumed in devices that are physically separate from the machine group, so that practically no heat generated from the released energy can get into the refrigerant circuit of the cooling system.
In one embodiment, the refrigerant leaving the bearing is guided to the outside via a duct containing a throttle element, and the opening of the throttle element is dimensioned such that the pressure of the storage refrigerant is equal to the pressure of the refrigerant entering the turbine. Any storage gas can then be used, including that which must not come into contact with the refrigerant circuit, or not come into contact at this point. Because of the pressure regulation, no bearing gas can flow into the turbine gas or vice versa.
In a machine group designed according to the invention for a compression cooling system, gaseous refrigerant removed from the circuit of the cooling system is advantageously used as storage pressure gas. The refrigerant used as storage pressure gas also has a heat-insulating effect on the refrigerant circuit. In the generator itself, only heat is generated through the losses, and this heat is dissipated by the pressurized gas from the storage facility.
In another design, the refrigerant leaving the camp is fed back into the circuit via a bypassing the turbine, the channel behind the turbine, ie on the outlet side of the turbine. The medium leaving the bearing of the generator rotor, which is slightly warmer than before being fed into the bearing because of the bearing friction and the genera tor losses, is then not fed into the turbine, so that the pressure difference between the bearing and the outlet side of the turbine is removed from there it is assessed that the storage gas is easily returned to the refrigerant circuit.
The turbine rotor is expediently also exposed to the pressure prevailing on the blade side on the rear side facing away from the blade side, so that the rear side forms an opposing surface, so the front and rear surfaces act like a compensating pressure piston. In one embodiment, the space surrounding the rotor carrying the refrigerant is sealed off from the space surrounding the rotor of the generator carrying compressed gas by a labyrinth seal.
They prevent refrigerant from the turbine from getting into the generator rotor bearing or from getting into the turbine in the opposite direction.
In a modified embodiment of the invention, the two rotors are mounted in the stator of the generator. Instead of being on the inside, the rotors are now mounted on the outside. A block rotor or an ordinary laminated rotor with copper rods, for example, can be used as the generator rotor.
The invention is illustrated by way of example in the drawing.
Fig. 1 is a section through a machine group designed according to the invention, Fig. 2 is a section through a modified type of construction of the two rotors, Fig. 3 is a section through part of a third embodiment on a larger scale and Fig. 4 is a section through a fourth type .
In a machine housing 1, which has a tur bine and generator having cup-shaped lower part and which is expanded in the upper part in Fig. 1 at 47 and there forms one half of a turbine ring channel 2, which is completed by an annular, welded cover 3 is housed, a rotor 4 of a turbine and a rotor 5 of an electric generator.
In addition to parts 2 to 4, the turbine includes the diffuser 6, which has vanes 51 and is installed between the space 2 and the rotor 4, and the electric generator includes a stator 7 with winding heads B in addition to the rotor 5. The turbine 2, 3, 4, 6 is in the circuit of a compression cooling system; the gaseous refrigerant introduced into space 2 via duct 9 into diffuser 6 and through rotor 4 is released into an outlet nozzle 11 attached to housing 1 by means of screws 10 on cover 46, after being expanded Line leading to refrigerated goods.
The energy released during the relaxation is converted by the generator 5, 7 into electrical energy, which is destroyed in electrical heating resistors (not shown) which are arranged spatially remote from the machine group and the cooling system. The cup-shaped lower housing part has the ring attachment containing the space 2 at the top.
The two rotors 4, 5 consist of one piece in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 and are overhung on a shaft 12 held on one side. It has a bore 13 into which gaseous refrigerant, which is optionally subjected to additional compression in addition to normal compression, is introduced via a supply line 14 and a channel 15 placed in housing 1. The refrigerant is passed on via supply channels 16 into chambers 17 mounted in shaft 12, from here between shaft 12 and rotor 5 through into outlet channel 18, an annular space 19 and a bypass channel 20 shown in dashed lines, through which turbine 2 to 6 bypasses becomes. Behind the channel 20, the storage refrigerant passes through space 21 into the outlet nozzle 11.
The refrigerant directed in this way is used for radial mounting of the two rotors 4, 5. However, they are also superimposed on refrigerant in the axial direction; In addition to the channels 16, shaft 12 also contains a channel 22 which opens into spaces 23 located on the lower end face of the rotor unit 4, 5. From here, the refrigerant exerting axial pressure reaches the annular space 19 formed between rotor 5 and stator 7 via a channel 24 and further, as described above, into the outlet nozzle 11.
On the side facing away from the turbine blades 25 of the rotor 4, the rotor 4 has a conical surface 26 which is under the same pressure as the blade surface, so that both surfaces work together like a differential pressure piston, so the axial bearing pressure is low. In the diffuser 6, opposite the surface 26, labyrinths 27 are attached, which prevent the storage refrigerant from the space 19 surrounding the rotor of the generator from entering the inlet side of the turbine, i. H. into the space 50 surrounding the rotor of the turbine or, conversely, refrigerant passes from there into the bearing of the rotor unit 4, 5.
The pressure difference prevailing between the storage refrigerant and the outlet side of the turbine causes a natural outflow of the storage refrigerant arriving in space 19 through the bypass channel 20.
The design of the housing 1 makes it easier to assemble the parts. The housing consists essentially of the two parts 1 and 3 welded together and the cover 46 screwed onto it. During installation, with the cover removed, all inner parts are pushed in one, fold from above; It begins with the shaft 12, followed by the stator 7, the lower part of the guide apparatus 6, rotor unit 4, 5 and the upper part of the guide apparatus 6. The cover is then screwed on. The upper extension 47 of the housing 1 containing the annular channel 2 of the turbine is designed as a flange.
As can be seen, the two rotors are combined to form a structural unit of closed shape in such a way that they are directly connected to one another.
In the design according to FIG. 2, the rotor unit 4a, 5a is in two parts. The generator rotor 5a contains electrical connecting elements 8a, onto the upper ends of which the turbine rotor 4a is pushed directly, the rotors 4a, 5a are thus compactly joined together with a form fit. The bearing means guide channels mounted in shaft 12a and rotor 5a are omitted in FIG. 2 for the sake of simplicity.
In the example according to FIG. 3, the shaft 12 in the figure below has a thin section 31 which acts as an elastic intermediate member. The axis, which may differ slightly from its axis due to machining inaccuracies and which goes through the actual center of gravity of the rotor unit 4, 5, is then definitely identical to the axis of the shaft because the shaft axis is in the center of gravity of the rotor unit can.
In contrast to the design according to FIG. 1, where the rotor unit 4, 5 is mounted on the inside, the rotor unit 4b, 5b in the embodiment according to FIG. 4 is mounted on the outside, and the stator 7b itself is used as a bearing. The housing 1b contains a borehole 15b through which the storage refrigerant is fed and to which the distribution channels 16b connect. They open into annular spaces 17b, of which the refrigeration medium enters radially standing channels 35, shown in dashed lines in FIG. 4, and into chambers 36.
From here, the storage refrigerant is between the inner circumference of the stator 76 and the rotor 5b through either directly via the section 37 or via the annular space 38 and an inclined duct 39 or finally via section 40 and an outlet duct 41 installed in the stator 7b into an outlet duct 41 between the turbine and the Stator formed outlet space 42 passed.