Expansionsturbine mit von ihr angetriebener Bremsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine zur Kühlung gas förmigen Mediums bestimmte Expansionsturbine mit von ihr angetriebener Bremsvorrichtung, wobei die gemeinsame Welle gasgelagert ist.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Wellen lagerungen von hochtourigen Expansionsturbinen mit Rotoren von verhältnismässig geringem Gewicht mit einer Drehzahl von beispielsweise 10 000 bis 300 000 pro Minute und mehr.
Die Erfindung besteht darin, dass mehrere zwi schen dem festen Lagerteil und der Welle ange brachte, dem Wellenumfang angepasste, segmentartig ausgebildete Tragglieder für die Welle angeordnet sind und dass zu deren Aufnahme im festen Lager teil den Traggliedern in der Form angepasste, eben falls zylindrisch geformte Ausnehmungen dienen, und in dem festen Lagerteil zu den Ausnehmungen füh rende Kanäle zur Einspeisung von Druckgas ange ordnet sind, und ist ferner gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mittels welcher der Gasdruck mit steigender Drehzahl der Welle vergrössert und mit abfallender Drehzahl verringert wird, derart,
dass sich zwischen den Traggliedern und den Ausnehmun- gen hydrostatische und zwischen den Traggliedern und der drehenden Welle ein hydrodynamisches La ger ausbildet, so dass die Tragglieder im Gas schweben.
Bei der Erfindung wird auf Grund der teils hydrodynamisch und teils hydrostatisch ausgebilde ten Gaslagerung ein stabiles Im-Gas-Schweben der Tragglieder erzielt, da sich die Stellung der letzteren im Gas selbsttätig einreguliert, sobald im Betrieb Druckgas in die Lagerspalte zwischen den Traggliedern und Ausnehmungen im festen Lager teil eingeleitet wird, und zwar in der Weise, dass der Druck des Einspeisegases entsprechend der Dreh zahl der Welle reguliert wird.
Würde man schon beim Anfahren der Turbine in die Spalte zwischen Aus- nehmungen und Traggliedern Gas von der Druck höhe einspeisen, die erst nach Hochlaufen der Tur binen erforderlich ist, so könnten unter Umständen die Tragglieder auf Grund dessen, dass sich bei niedrigeren Drehzahlen noch kein hydrodynamisches Lager von ausreichender Tragfähigkeit zwischen den Traggliedern und der Welle ausgebildet hat, an die Welle angepresst werden und bremsend wirken.
Auf Grund der erfindungsgemässen Regelung des Einspeisedruckes des Gases derart, dass mit steigender Drehzahl der Gasdruck vergrössert wird, wird erreicht, dass die von den hydrostatischen Lagern auf die einzelnen Tragglieder ausgeübten Kräfte nicht grösser als die Kräfte sind, die vom sich zwischen der Welle und den Traggliedern aufbauenden hydrodynami schen Lager auf die Tragglieder ausgeübt werden. Dadurch wird erzielt, dass die Tragglieder unabhän gig von der Wellendrehzahl im Gas schweben.
Denn auch bei plötzlich sinkender Drehzahl, die beispiels weise bei einer Druckschwankung auf der Turbinen seite auftreten kann, wird der Einspeisedruck des Lagergases entsprechend gesenkt, so dass auch in diesem Fall die auf die Tragglieder ausgeübten Kräfte vom hydrostatischen und hydrodynamischen Lager sich im Gleichgewicht befinden.
Bei Anwendung der Erfindung auf eine Expan sionsturbine mit einem Verdichter als Bremsvor richtung, wobei der Verdichter in einem geschlos senen Gaskreislauf liegt, der durch gleiches Gas ge bildet wird wie die die Turbine durchsetzende Strö mung, wird vorteilhaft das Druckgas direkt aus der Druckseite des Verdichters in die Einspeisekanäle des Lagers eingeleitet, da die Anfahrcharakteristik eines Verdichters die Bedingungen für den Druckauf bau im hydrostatischen Gaslager erfüllt. In diesem speziellen Fall wirkt der Verdichter selbst als Regel- einrichtung für den Gaslagerdruck. Unter Umständen kann es zweckmässig sein,
noch zusätzlich in einer Verbindungsleitung zwischen der Druckseite des Ver dichters und den Einspeisekanälen ein einstellbares Drosselorgan anzuordnen. Dieses Drosselorgan kann, wenn es erforderlich erscheint, noch zusätzlich in Abhängigkeit von einer Messeinrichtung der Wellen drehzahl gesteuert werden.
Im Fall, dass die Speisung des Gaslagers von einer fremden Gasquelle erfolgt, wobei das Gas der fremden Quelle das gleiche Gas wie das die Expansionsturbine durchsetzende sein kann, wird in der Verbindungsleitung zwischen ihr und den Ein speisekanälen ein einstellbares Drosselorgan ange ordnet, das in Abhängigkeit von einer Messeinrich- tung für die Wellendrehzahl gesteuert wird. Die Er findung wird anhand der in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiele im folgenden erläutert.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Expansionsturbine mit einem von ihr angetriebenen Verdichter, der in einem geschlossenen Kreislauf liegt, während Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Verdichter und das Gaslager und die Fig. 3 einen Querschnitt längs der Schnittlinie 1-I durch die Einrichtung zeigt.
In der Fig. 4 ist ein Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Lagerung mit drei Traggliedern dargestellt, während die Fig.5 eine vergrösserte Teildarstellung des in der Fig. 4 dargestellten Horizontalschnittes zeigt. Die Fig.6 zeigt eine Expansionsturbine, deren mechanische Leistung von einem von ihr ange triebenen Generator abgeführt wird, wobei das Gas lager aus einer fremden Gasquelle gespeist wird.
In der Fig.7 ist der Pick-up zur Messung der Wellendrehzahl im Schnitt dargestellt.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In der Fig. 1 sitzt der Rotor einer Turbine 1, die im Gas-, z. B. Wasserstoff- oder Heliumkreislauf 2 einer Tiefkälteanlage liegt, auf der gleichen Welle 3 wie der Rotor eines zugehörigen Turboverdichters 4. Der Verdichter 4 liegt mit seiner Saugseite 5 und seiner Druckseite 6 in einem geschlossenen, aus gleichem Gas wie Kreislauf 2 bestehenden Gas kreislauf 7, der ein Drosselorgan 8 mit einstellbarem Durchlassquerschnitt und einen Wasserkühler 9 ent hält. Über den Kühler wird die von der Turbine an den Verdichter und von diesem durch Kompression an das Gas übertragene Energie nach aussen abge führt, so dass das Gas gekühlt wird.
Das Gaslager 10 der Welle, von dem in der Zeichnung nur eines der über den Umfang der Welle verteilt angeordneten Tragglieder 11 zu sehen ist, ist zur Einspeisung mit Druckgas mit dem Ringraum 12 des Verdichters mittels eines Kanals 13 verbunden, der in die längs der Welle angeordneten Einspeisekanäle 14 mündet. In dem Verbindungskanal 13 ist ein einstellbares Drosselventil 15 angeordnet, das bei konstanter Ein- Stellung eine Druckreduktion bewirkt. Die Lageraus trittsseiten sind mittels einer Leitung 16 und einer an einen Ringraum 17 angeschlossenen Leitung 18, welche in die Leitung 16 mündet, mit der Saugseite 5 des Verdichters 4 verbunden.
Zur axialen Gas lagerung der Tragglieder, bei vertikaler Anordnung des Aggregates Turbine-Verdichter in der darge stellten - Weise, ist an den Ringraum 12 des Ver dichters eine Leitung 19 angeschlossen, die in den Spalt zwischen den dem Verdichter zugewendeten Stirnflächen der Tragglieder und dem an den Ver dichter angeschlossenen festen Lagerteil mündet. Zur Einstellung des Einspeisedruckes ist in der Leitung 19 ein Drosselventil 20 angeordnet. Zur gegenseitigen Abdichtung der Turbine und des Verdichters dienen die Labyrinthdichtungen 21 und 22.
Wie durch die strichpunktierte Linie schematisch angedeutet, kann, während die sich oberhalb von ihr befindende Tur bine 1 unter der tiefen Betriebstemperatur der Kälte anlage steht, der Verdichter 4 und der Kreislauf 7 sowie das Gaslager 10 unter Umgebungstemperatur, beispielsweise + 20 C, stehen.
In der Fig.2 wird ein Längsschnitt durch das Gaslager und den Verdichter einer im wesentlichen mit der Fig. 1 übereinstimmenden Ausführungsform der Erfindung im Detail gezeigt. Abweichend von der Fig. 1, bei der im Verbindungskanal 13 ein Drosselorgan 15 angeordnet ist, sind in Fig. 2 diesem Organ entsprechende Drosselstellen 30 in die Ein speisekanäle 14 des festen Lagerteils 31 verlegt. Der Verbindungskanal 13 mündet in einen diesen festen Lagerteil umgebenden Ringraum 32, der mit den in die Spalte zwischen den Traggliedern und dem festen Lagerteil einmündenden Einspeisekanälen 14 verbunden ist. In der Zeichnung ist nur ein Ver bindungskanal 13 eingetragen.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, zwischen dem Ringraum 12 und dem Ringraum 32 auch mehrere Ver bindungskanäle anzuordnen.
Wie aus dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt hervorgeht, besteht das Gaslager bei dieser Aus führungsform aus fünf über den Wellenumfang ver teilt angeordneten Traggliedern. Das Druckgas für die axiale Lagerung der Tragglieder wird aus dem Ringraum 12 über die Kanäle 13 und 19 über einen Ringraum 33 durch die Einspeisekanäle 34 zuge führt, wobei die letzteren über Drosselstellen 35 in die Spalte zwischen dem festen Lagerteil 36 und den Stirnflächen der Tragglieder führen.
Zur Ableitung des Lagergases aus dem Spalt zwischen Welle und Traggliedern bzw. zwischen Welle und dem festen Lagerteil 31 ist am unteren Ende ein in den Ringraum 17 mündender Ver bindungskanal 18 angeordnet. Ein den Lagerteil 31 umgebender Ringraum 37 ist mit dem oberen Ende des Lagerspaltes durch Durchtrittsöffnungen 38 für den Austritt des Lagergases verbunden und an seinem unteren Ende mit der auf die Saugseite des Ver dichters 4 zurückführenden Leitung 16 versehen. Mit der Bezugsziffer 39 sind die Dichtungsringe bezeichnet, welche die einzelnen Räume in den festen Lagerteilen gegeneinander abdichten.
In der Fig.4 ist ein Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Lagerung mit drei Traggliedern dargestellt, während die Fig.5 eine vergrösserte Teildarstellung des in der Fig.4 dar gestellten Horizontalschnittes mit einer geringen Ab wandlung in der Zuführung des Lagergases zeigt.
In der Fig. 4 sind zwischen einem festen Lagerteil 31 und der Welle 3 gegenüber dem Wellenumfang verteilt angeordnete Tragglieder 11 benutzt. Die Tragglieder, die vorteilhaft aus selbstschmierendem Material, z. B. Graphit, bestehen, sind in zylindri schen Ausnehmungen 40 des Lagerteils 31 unter gebracht, in welche die Kanäle 14 zur Zuführung von Druckgas münden, während in dem Lagerteil 31 Kanäle 41 zum Abführen des Lagergases angeordnet sind. Die Glieder sind auf den den Ausnehmungen 40 zugekehrten und auf den der Welle 3 zugekehrten Seiten ebenfalls mit passenden zylindrischen Flächen 42, 43 versehen und um die Achsen 44 der durch die Flächen 42 gebildeten Zylinder drehbar.
Jedes Glied 11 besitzt an dem einen Ende seiner der Welle 3 zugekehrten Tragfläche 43 eine Ausnehmung 45, die achsparallel verläuft und sich über einen Teil der Tragfläche 43 erstreckt. Betrachtet man eines der beiden unteren Tragglieder, so wird durch die Ausnehmung 45 die bei vollkommen symmetri scher Ausbildung der Glieder bei 44 liegende achs- parallele Mittellinie der Zylinderfläche 43 aus der ebenfalls bei 44 liegenden Drehachse der Glieder 11 heraus verlegt, und zwar derart, dass bei Auslenkung der Welle 3 (vgl.
Fig. 5) die Resultierende der von dem keilförmig sich von rechts nach links verjüngen den Spalt 46 herrührenden Druckkräfte ständig durch die Drehachse 44 geht, so dass eine entsprechend den Kippelementen bei Mitchell-Lagern ähnliche Trag bewegung und eine stabile Stellung der Glieder 11 im Rahmen der um Achse 44 möglichen Drehung entsteht.
Während des Betriebes sind die Glieder 11 von dem in die Spalte 47 eingeleiteten Druckgas getragen, das heisst, es bildet sich im Spalt 47 ein hydrostati sches Gaslager aus. In den Spalt 46 wird das Gas durch seine Viskosität und infolge der Drehung der Welle 3 eingesaugt, so dass sich zwischen Welle und Traggliedern ein hydrodynamisches Gaslager aus bildet.
Erfindungsgemäss wird der Druck, mit wel chem das Gas in die Lagerspalte 47 eingeleitet wird, entsprechend der Wellendrehzahl geregelt, entweder dadurch, dass die Einspeisekanäle mit dem Ring raum 12 des Verdichters in Verbindung stehen, wie die in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsformen zeigen, oder durch Regelung eines in der Ver bindungsleitung zu den Einspeisekanälen liegenden Drosselorganes, das in Abhängigkeit von einer Mess- einrichtung der Wellendrehzahl gesteuert wird, wenn das Lager mit Gas aus einer fremden Gasquelle gespeist wird (vgl. Fig. 6).
Die Einleitung von Druckgas in die Spalte zwi schen Tragglieder und festem Lagerteil bewirkt die Ausbildung eines Gaspolsters, auf welchem die Trag glieder in den Ausnehmungen schweben. In den zwischen der Welle und den Traggliedern gebildeten Spalt wird aus dem hydrostatischen Lager Gas durch seine Viskosität und infolge der Drehung der Welle 3 eingesaugt, was der Ausbildung eines sogenannten hydrodynamischen Gaslagers entspricht.
Ausser dem Vorteil eines geringen Gasverbrauches in den Lager spalten wird auf Grund der erfindungsgemässen La gerung ein stabiles Im-Gas-Schweben der Trag glieder erzielt, da durch die von der Wellendrehzahl abhängige Drucksteuerung bewirkt wird, dass die Kräfte, die einerseits von dem Gas im Spalt 46 und anderseits von dem Gas im Spalt 47 auf die einzelnen Tragglieder ausgeübt werden, entgegen gesetzt gleich sind, sogar schon beim Anfahren der Turbine.
Bei Anwendung des dargestellten Lagers auf eine Ausführungsform mit Verdichter als Brems vorrichtung sind die Kanäle 41 für die Ableitung des Lagergases an die Saugseite des Verdichters geführt (vgl. Fig. 1, 2 und 3), während bei Speisung des Lagers aus einer fremden Gasquelle die Kanäle 41 beispielsweise direkt mit der Atmosphäre ver bunden sein können. Wenn aus irgendeinem Grund die Welle mit ihrer Achse 48 eine Zusatzrotation um die bei der Darstellung gemäss Fig.4 ebenfalls bei 48 liegende Lagerachse ausführen sollte, so nähert sie sich dabei wechselweise einem der Glieder 11. Das betreffende Glied kann in diesem Fall sowohl in radialer Richtung nach aussen unter Annäherung der Flächen 40, 42 ausweichen, als sich um die Achse 44 in der einen oder anderen Richtung drehen.
Wandert die Welle 3 während der Zusatzrotation etwa an der inneren Tragfläche 43 des Gliedes vorbei, so verschwenkt sich dieses entsprechend um seine Achse 44, bis sich die Welle wieder von dem Glied unter Vergrösserung von Spalt 46 entfernt und gleichzeitig dem folgenden Glied nähert.
Bei anderen Ausführungsformen liegt die Dreh achse 44 etwas anders. Ihre Lage kann hierbei auf dem durch die Achsen 48, 44 gehenden Radius 49 liegen.
In der Fig. 5 ist im Rahmen einer Zusatzrotation, die bekanntlich bei einer Wellendrehzahl von etwa dem doppelten Betrag der kritischen Lagerfrequenz auftritt, oder für eine andersartig bewirkte Aus lenkung der Wellenachse 48 ein Momentbild wieder gegeben, bei dem die Welle 3, deren Drehrichtung durch den Pfeil 50 markiert ist, mit ihrer Achse 48 aus der Lagerachse A herausgerückt ist. Dabei be findet sich der Umfang 51 der Welle in der aus gezogenen Stellung, während er sich, wenn die Welle keine Zusatzrotation ausführt und die Achsen 48 und A zusammenfallen, in der gestrichelten Stellung 52 befindet.
Das Glied 11 hat sich ferner um Achse 44 in die dargestellte stabile Stellung verschwenkt, in der die Tragfläche 43 die ausgezogen wieder- gegebene Lage einnimmt. Mittelachse der dieser Lage entsprechenden Zylinderfläche ist die Achse B, die aus der ursprünglichen, mit der Lagerachse A zu sammenfallenden Lage auf dem um 44 beschriebenen Kreis 53 in der Figur nach rechts gerückt ist. In der ursprünglichen, gestrichelt eingezeichneten Stel lung 54 der Tragfläche 43 liegt die zugehörige Mittelachse in der Lagerachse A.
In Fig.5 wird das Lagergas in die Spalte 47 über je zwei Einspeisekanäle 14a und 14b ein- geleitet. Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Er findung, bei der die Turbine 1 mit einem Generator 60 zur Vernichtung der von ihr erzeugten mechani schen Energie verbunden ist. Die vom Generator erzeugte elektrische Leistung wird von Klemmen 60a und 60b an einen Verbraucher abgeführt. Das Gaslager 10 wird von einer fremden Gasquelle, beispielsweise aus einer Druckgasflasche 61, gespeist. Zweckmässig wird als Gaslager das gleiche Gas wie das die Expansionsturbine durchströmende verwen det.
Das Lagergas kann auch beispielsweise als Teil strom von der Druckseite des Hauptkompressors der Kälteanlage, von der die Expansionsturbine einen Teil bildet, entnommen werden. Das Lagergas wird aus einer Druckflasche 61 über eine Leitung 62 den Einspeisekanälen 14 des Lagers zugeführt. In der Leitung 62 ist ausser einem Reduzierventil 63 zur Konstanthaltung des Druckes in Leitung 62 selbst ein Drosselventil 64 angeordnet, das in er findungsgemässer Weise über eine Messeinrichtung für die Wellendrehzahl gesteuert wird.
Da das Aggregat Turbine-Generator horizontal angeordnet ist, sind die Tragglieder 11 des Gaslagers beidseitig axial gasgelagert. Diese Axiallager 65 und 66 werden über Leitungen 67 und 68 und die Ring räume 33 mit Gas aus der Druckgasflasche 61 versorgt. Das in der Leitung 67 angeordnete Drossel ventil 69 dient zur Reduktion des Druckes in Leitung 62 auf den gewünschten Lagerdruck in den Axial lagern 65 und 66.
Zur Messung der Wellendrehzahl ist am Rotor des Generators 60 ein Wellenstumpf 70 angebracht, dessen kreisförmiger Querschnitt auf zwei gegen überliegenden Seiten Ausfräsungen besitzt (vgl. Fig. 7). Generator und Element 70 sind in geschlos sener Bauweise ausgeführt. Oberhalb der Welle 70 ist ein sogenannter Pick-up 71 angeordnet, der im wesentlichen aus einem von einer elektrischen Spule umschlossenen Magnetkern besteht. Bei Drehung der Welle wird auf Grund des sich periodisch verändern den Gasspaltes zwischen Element 70 und dem Magnetkern des Pick-ups 71 in der elektrischen Spule eine Wechselspannung induziert, deren Fre quenz eine Funktion der Wellendrehzahl bildet.
In einem Wandler 72 wird die Wechselspannung in eine der Frequenz entsprechende Gleichspannung umge wandelt. Diese Gleichspannung dient zur Steuerung eines elektropneumatischen Wandlers 73 bekannter Bauart, an welchen eine Druckluft-Zu- und -Ab- führung 74 und 75 angeschlossen sind. Über eine Steuerleitung 76 wird dann das Drosselorgan 64 ent sprechend der Wellendrehzahl verstellt und somit eine von der Wellendrehzahl abhängige Steuerung des Lagergasdruckes bewirkt.
Anstelle der hier ge zeigten Steuerungseinrichtung des Drosselorganes in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl können selbst verständlich auch andere übliche Ausführungsformen für Drucksteuerungen in Abhängigkeit von einer Wellendrehzahl angewendet werden. Die Austritts seite des Wellenlagers ist bei der dargestellten Aus führungsform direkt mit der Atmosphäre verbunden. Bei Verwendung des gleichen Gases für das Wellen lager wie das die Turbine durchsetzende Mittel, kann beispielsweise auch die Lagerau strittsseite mit der Niederdruckseite der Kälteanlage, von der die Turbine einen Bestandteil bildet, verbunden sein.
Expansion turbine with braking device driven by it The invention relates to an expansion turbine intended for cooling gaseous medium with braking device driven by it, the common shaft being gas-bearing.
The invention is particularly suitable for shaft bearings of high-speed expansion turbines with rotors of relatively low weight at a speed of, for example, 10,000 to 300,000 per minute and more.
The invention consists in that several between tween the fixed bearing part and the shaft, adapted to the shaft circumference, segment-like support members are arranged for the shaft and that part of the support members adapted in shape, also cylindrically shaped, to accommodate them in the fixed bearing Recesses are used, and in the fixed bearing part leading to the recesses channels for feeding compressed gas are arranged, and is further characterized by a control device, by means of which the gas pressure is increased with increasing speed of the shaft and decreased with decreasing speed, such
that between the support members and the recesses hydrostatic and between the support members and the rotating shaft a hydrodynamic bearing is formed, so that the support members float in the gas.
In the invention, due to the partly hydrodynamic and partly hydrostatic trained th gas storage, a stable in-gas floating of the support members is achieved, since the position of the latter in the gas is automatically adjusted as soon as pressurized gas in the bearing gap between the support members and recesses in the operation fixed bearing part is initiated, in such a way that the pressure of the feed gas is regulated according to the speed of the shaft.
If, when starting up the turbine, gas were fed into the gaps between the recesses and support members at the pressure level that is only required after the turbines have run up, the support members could possibly be due to the fact that at lower speeds no has formed hydrodynamic bearings of sufficient load-bearing capacity between the support members and the shaft, are pressed against the shaft and have a braking effect.
Due to the inventive regulation of the gas feed pressure in such a way that the gas pressure is increased with increasing speed, it is achieved that the forces exerted by the hydrostatic bearings on the individual support members are not greater than the forces exerted between the shaft and the Support members building hydrodynamic bearings are exerted on the support members. This ensures that the support members float in the gas regardless of the shaft speed.
Because even if the speed suddenly drops, which can occur, for example, in the event of a pressure fluctuation on the turbine side, the feed pressure of the bearing gas is lowered accordingly, so that in this case too the forces exerted on the support members by the hydrostatic and hydrodynamic bearings are in equilibrium.
When applying the invention to an expansion turbine with a compressor as a Bremsvor direction, the compressor is in a closed-end gas circuit which is formed by the same gas as the flow passing through the turbine, the compressed gas is advantageous directly from the pressure side of the compressor introduced into the feed channels of the bearing, since the start-up characteristics of a compressor meet the conditions for pressure build-up in the hydrostatic gas bearing. In this special case, the compressor itself acts as a control device for the gas bearing pressure. Under certain circumstances it can be useful
additionally to arrange an adjustable throttle element in a connecting line between the pressure side of the Ver poet and the feed channels. This throttle device can, if it appears necessary, also be controlled in addition to a measuring device of the shaft speed.
In the event that the gas bearing is fed from an external gas source, the gas from the external source being the same gas as the gas passing through the expansion turbine, an adjustable throttle element is arranged in the connecting line between it and the feed channels is controlled by a measuring device for the shaft speed. The invention is explained below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing Darge.
Fig. 1 shows a schematic representation of an expansion turbine with a compressor driven by it, which is in a closed circuit, while FIG. 2 shows a longitudinal section through the compressor and the gas bearing and FIG. 3 shows a cross section along the section line 1-I through the Establishment shows.
FIG. 4 shows a horizontal section through a mounting designed according to the invention with three support members, while FIG. 5 shows an enlarged partial illustration of the horizontal section shown in FIG. 6 shows an expansion turbine, the mechanical power of which is dissipated by a generator driven by it, the gas bearing being fed from an external gas source.
The pick-up for measuring the shaft speed is shown in section in FIG.
The same parts are denoted by the same reference numbers in the figures.
In Fig. 1, the rotor of a turbine 1 sits in the gas, z. B. hydrogen or helium circuit 2 of a cryogenic system is on the same shaft 3 as the rotor of an associated turbo compressor 4. The compressor 4 is with its suction side 5 and its pressure side 6 in a closed, consisting of the same gas as circuit 2 gas circuit 7 , which holds a throttle element 8 with an adjustable passage cross section and a water cooler 9 ent. The energy transferred from the turbine to the compressor and from there by compression to the gas is led to the outside via the cooler, so that the gas is cooled.
The gas bearing 10 of the shaft, of which only one of the support members 11 distributed over the circumference of the shaft can be seen in the drawing, is connected to the annular space 12 of the compressor by means of a channel 13 which runs into the length of the shaft arranged feed channels 14 opens. An adjustable throttle valve 15 is arranged in the connecting channel 13, which causes a pressure reduction when the setting is constant. The bearing exit sides are connected to the suction side 5 of the compressor 4 by means of a line 16 and a line 18 which is connected to an annular space 17 and opens into the line 16.
For the axial gas storage of the support members, with a vertical arrangement of the turbine-compressor unit in the Darge presented way, a line 19 is connected to the annular space 12 of the Ver poet, which enters the gap between the end faces of the support members facing the compressor and the the United dense connected solid bearing part opens. To adjust the feed pressure, a throttle valve 20 is arranged in line 19. The labyrinth seals 21 and 22 serve to seal the turbine and the compressor from one another.
As indicated schematically by the dash-dotted line, while the turbine 1 located above it is below the low operating temperature of the refrigeration system, the compressor 4 and the circuit 7 and the gas store 10 are below ambient temperature, for example + 20 C.
In FIG. 2, a longitudinal section through the gas bearing and the compressor of an embodiment of the invention that essentially corresponds to FIG. 1 is shown in detail. Notwithstanding FIG. 1, in which a throttle member 15 is arranged in the connecting channel 13, throttle points 30 corresponding to this member are laid in the feed channels 14 of the fixed bearing part 31 in FIG. The connecting channel 13 opens into an annular space 32 which surrounds this fixed bearing part and which is connected to the feed channels 14 opening into the gaps between the support members and the fixed bearing part. In the drawing, only one connection channel 13 is registered.
In principle, it is of course possible to arrange a plurality of connecting channels between the annular space 12 and the annular space 32.
As can be seen from the cross section shown in Fig. 3, the gas bearing in this embodiment consists of five over the circumference of the shaft ver parts arranged support members. The compressed gas for the axial storage of the support members is supplied from the annular space 12 via the channels 13 and 19 via an annular space 33 through the feed channels 34, the latter leading via throttles 35 into the gaps between the fixed bearing part 36 and the end faces of the support members .
To derive the bearing gas from the gap between the shaft and support members or between the shaft and the fixed bearing part 31, a connecting channel 18 opening into the annular space 17 is arranged at the lower end. An annular space 37 surrounding the bearing part 31 is connected to the upper end of the bearing gap through openings 38 for the outlet of the bearing gas and is provided at its lower end with the conduit 16 leading back to the suction side of the 4 poet. The reference numeral 39 denotes the sealing rings which seal the individual spaces in the fixed bearing parts from one another.
FIG. 4 shows a horizontal section through an inventive bearing with three support members, while FIG. 5 shows an enlarged partial representation of the horizontal section shown in FIG. 4 with a slight change in the supply of the storage gas.
In FIG. 4, support members 11 arranged distributed between a fixed bearing part 31 and the shaft 3 relative to the shaft circumference are used. The support members, which are advantageously made of self-lubricating material, e.g. B. graphite exist, are placed in cylindri's recesses 40 of the bearing part 31 under, into which the channels 14 open for the supply of pressurized gas, while in the bearing part 31 channels 41 are arranged for discharging the bearing gas. The links are also provided with matching cylindrical surfaces 42, 43 on the sides facing the recesses 40 and on the sides facing the shaft 3 and are rotatable about the axes 44 of the cylinders formed by the surfaces 42.
Each link 11 has, at one end of its supporting surface 43 facing the shaft 3, a recess 45 which runs parallel to the axis and extends over part of the supporting surface 43. If one looks at one of the two lower support members, the axially parallel center line of the cylinder surface 43, which is located at 44 with a completely symmetrical design of the members, is moved out of the axis of rotation of the members 11, which is also located at 44, through the recess 45 in such a way that when shaft 3 is deflected (cf.
Fig. 5) the resultant of the wedge-shaped tapering from right to left the gap 46 resulting compressive forces constantly through the axis of rotation 44, so that a support movement similar to the tilting elements in Mitchell bearings and a stable position of the links 11 in the frame the rotation possible about axis 44 arises.
During operation, the members 11 are carried by the pressurized gas introduced into the column 47, that is to say, a hydrostatic gas bearing is formed in the gap 47. The gas is sucked into the gap 46 due to its viscosity and as a result of the rotation of the shaft 3, so that a hydrodynamic gas bearing is formed between the shaft and support members.
According to the invention, the pressure with which the gas is introduced into the bearing gap 47 is regulated according to the shaft speed, either by the fact that the feed channels are connected to the annular space 12 of the compressor, as in the embodiments shown in FIGS. 1-3 show, or by regulating a throttle element located in the connecting line to the feed channels, which is controlled as a function of a measuring device of the shaft speed when the bearing is fed with gas from an external gas source (see FIG. 6).
The introduction of pressurized gas into the column between the support members and fixed bearing part causes the formation of a gas cushion on which the support members float in the recesses. In the gap formed between the shaft and the support members, gas is sucked in from the hydrostatic bearing due to its viscosity and as a result of the rotation of the shaft 3, which corresponds to the formation of a so-called hydrodynamic gas bearing.
In addition to the advantage of low gas consumption in the bearing, a stable in-gas floating of the support members is achieved due to the storage according to the invention, since the pressure control, which is dependent on the shaft speed, causes the forces exerted by the gas in the Gap 46 and, on the other hand, are exerted by the gas in the gap 47 on the individual support members, on the other hand are equal, even when the turbine is started up.
When using the bearing shown on an embodiment with a compressor as a braking device, the channels 41 for the discharge of the storage gas to the suction side of the compressor are performed (see. Fig. 1, 2 and 3), while the supply of the bearing from an external gas source Channels 41 can for example be directly connected to the atmosphere. If, for whatever reason, the shaft with its axis 48 should perform an additional rotation about the bearing axis, which is also located at 48 in the illustration according to FIG. 4, it alternately approaches one of the links 11. The link in question can in this case both radially In the outward direction while approaching the surfaces 40, 42, evade than rotate about the axis 44 in one direction or the other.
If the shaft 3 moves past the inner support surface 43 of the link during the additional rotation, it pivots accordingly about its axis 44 until the shaft moves away from the link, increasing gap 46, and at the same time approaches the following link.
In other embodiments, the axis of rotation 44 is slightly different. Their position can be on the radius 49 passing through the axes 48, 44.
In Fig. 5 is in the context of an additional rotation, which is known to occur at a shaft speed of about twice the amount of the critical bearing frequency, or for a differently effected steering from the shaft axis 48, a momentary image is given again in which the shaft 3, the direction of rotation through the arrow 50 is marked, with its axis 48 moved out of the bearing axis A. The circumference 51 of the shaft is in the extended position, while it is in the dashed position 52 when the shaft is not performing any additional rotation and the axes 48 and A coincide.
The member 11 has also pivoted about axis 44 into the stable position shown, in which the support surface 43 assumes the position shown in an extended manner. The central axis of the cylinder surface corresponding to this position is the axis B, which has moved to the right in the figure from the original position coinciding with the bearing axis A on the circle 53 described around 44. In the original position 54 of the support surface 43, shown in dashed lines, the associated central axis lies in the bearing axis A.
In FIG. 5, the storage gas is introduced into the column 47 via two feed channels 14a and 14b. Fig. 6 shows an embodiment of the invention, in which the turbine 1 is connected to a generator 60 to destroy the mechanical energy generated by it. The electrical power generated by the generator is dissipated from terminals 60a and 60b to a consumer. The gas store 10 is fed by an external gas source, for example from a pressurized gas cylinder 61. The same gas as that flowing through the expansion turbine is expediently used as the gas bearing.
The storage gas can also be taken, for example, as a partial stream from the pressure side of the main compressor of the refrigeration system, of which the expansion turbine forms a part. The storage gas is fed from a pressure bottle 61 via a line 62 to the feed channels 14 of the camp. In the line 62, in addition to a reducing valve 63 for keeping the pressure constant in the line 62 itself, a throttle valve 64 is arranged, which is controlled in the manner according to the invention via a measuring device for the shaft speed.
Since the turbine-generator unit is arranged horizontally, the support members 11 of the gas bearing are axially gas-bearing on both sides. These axial bearings 65 and 66 are supplied with gas from the compressed gas cylinder 61 via lines 67 and 68 and the annular spaces 33. The throttle valve 69 arranged in line 67 serves to reduce the pressure in line 62 to the desired bearing pressure in axial bearings 65 and 66.
To measure the shaft speed, a stub shaft 70 is attached to the rotor of the generator 60, the circular cross-section of which has milled-out portions on two opposite sides (see FIG. 7). Generator and element 70 are designed in a closed construction. A so-called pick-up 71 is arranged above the shaft 70 and consists essentially of a magnetic core enclosed by an electrical coil. When the shaft rotates, due to the periodically changing gas gap between element 70 and the magnetic core of pick-up 71, an alternating voltage is induced in the electrical coil, the frequency of which is a function of the shaft speed.
In a converter 72, the alternating voltage is converted into a direct voltage corresponding to the frequency. This DC voltage is used to control an electropneumatic converter 73 of known design, to which a compressed air supply and discharge 74 and 75 are connected. Via a control line 76, the throttle member 64 is then adjusted accordingly to the shaft speed and thus a control of the bearing gas pressure dependent on the shaft speed is effected.
Instead of the control device of the throttle element shown here as a function of the shaft speed, other conventional embodiments for pressure controls as a function of a shaft speed can of course also be used. The exit side of the shaft bearing is directly connected to the atmosphere in the embodiment shown. When using the same gas for the shaft bearing as the means penetrating the turbine, the bearing side can for example also be connected to the low-pressure side of the refrigeration system, of which the turbine forms a component.