DE10156228B4 - Rotor einer Expansionsturbine für Tieftemperaturanwendungen - Google Patents

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Abstract

Rotor einer Expansionsturbine mit einem von einem Gas beaufschlagten, zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad (1), einer Turbinenwelle (4), einer Stiftschraube (2), die in eine wellenstirnseitige Gewindebohrung der Turbinenwelle (4) eingesetzt ist und das Turbinenlaufrad (1) durchfasst, und einer auf dem vorstehenden Ende (2') der Stiftschraube (2) angeordneten Laufradmutter (3), wobei das Turbinenlaufrad (1) mit Hilfe der Laufradmutter (3) und der vorgespannten Stiftschraube (2) fliegend an dem Ende der Turbinenwelle (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor für Tieftemperaturanwendungen, bei denen das Turbinenlaufrad (1) von einem Kaltgas beaufschlagt ist, eine Laufradnabenkappe (5) aus einem wärmedämmenden Material aufweist, welche über dem in das abströmende Kaltgas vorstehenden freien Ende der Stiftschraube (2) und über der Laufradmutter (3) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor einer Expansionsturbine mit einem von einem Gas beaufschlagten, zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad, mit einer Turbinenwelle, mit einer Stiftschraube, die in eine wellenstirnseitige Gewindebohrung der Turbinenwelle eingesetzt ist und das Turbinenlaufrad durchfasst, und mit einer auf dem vorstehenden Ende der Stiftschraube angeordneten Laufradmutter, wobei das Turbinenlaufrad mit Hilfe der Laufradmutter und der vorgespannten Stiftschraube fliegend an dem Ende der Turbinenwelle befestigt ist. Ein Rotor mit den vorgenannten Merkmalen ist aus DE 10 36 273 A bekannt.
  • Die GB 740 905 A betrifft einen Rotor einer Turbomaschine mit einem Radiallaufrad, welches eine Kompressorstufe bildet. Das Radiallaufrad der Kompressorstufe ist mit Hilfe einer Laufradmutter und einer vorgespannten Stiftschraube fliegend an einem Ende einer Rotorwelle angeordnet. Über dem freien Ende der Stiftschraube und über der Laufradmutter ist eine dünnwandige Laufradnabenkappe angeordnet.
  • Bei Tieftemperaturanwendungen, z. B. in Gastrennungs- und Aufbereitungsanlagen, bei denen das Turbinenlaufrad von einem Kaltgas beaufschlagt ist, können in dem abströmenden Kaltgas extrem niedrige Expansionstemperaturen im Bereich zwischen –80°C und –200°C auftreten. Bei solchen extrem niedrigen Temperaturen besteht das Problem, dass ein kräftiger Wärmeabfluss aus der warmen Turbinenwelle über die Befestigung des Turbinenrades in das abströmende kalte Gas auftritt. Der über die Befestigung des Turbinenrades abfliessende Wärmestrom wirkt sich äusserst negativ auf die Gesamtfunktion der Expansionsturbine bei Tieftemperaturanwendungen aus. So wird das durch die Expansion abgekühlte Gas wieder erwärmt, was einer möglichst idealen, d. h. isentropen Kälte-Expansion, direkt entgegenwirkt und damit den Turbinenwirkungsgrad herabsetzt. Gleichzeitig wird die Turbinenwelle sehr stark abgekühlt, was sich nachteilig auf die Schmierung in den Lagern der Turbinenwelle auswirkt. Insbesondere bei Verwendung minimalöl- oder fettgeschmierter Wälzlager, die auch bei hohen Turbinendrehzahlen nur geringe Reibverlustwärme produzieren, besteht die Gefahr, dass die Schmiermittel zum Stocken gebracht werden und die Turbinenwellenlager wegen fehlender Schmierung spontan ausfallen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Expansionsturbine für Tieftemperaturanwendungen den Wärmeabfluss aus der Turbinenwelle in das abströmende Kaltgas wirkungsvoll zu reduzieren, damit einerseits ein möglichst hoher Turbinenwirkungsgrad erhalten bleibt und andererseits eine ausreichende Schmiermittelversorgung insbesondere bei minimalöl- oder fettgeschmierten Wälzlagern sichergestellt ist.
  • Gegenstand der Erfindung und Lösung dieser Aufgabe ist ein Rotor einer Expansionsturbine nach Anspruch 1.
  • Erfindungsgemäß weist der Rotor für Tieftemperaturanwendungen, bei denen das Turbinenlaufrad von einem Kaltgas beaufschlagt ist, eine Laufradnabenkappe aus einem wärmedämmenden Material auf, welche über dem in das abströmende Kaltgas vorstehende freie Ende der Stiftschraube und über der Laufradmutter angeordnet ist. Das Gewindeende der Stiftschraube sowie die Laufradmutter stehen weit in das abströmende Kaltgas hinein vor. Wegen der hohen Flächenpressung auf den Gewindeflanken von Stiftschraube, Laufradmutter und Turbinenwelle ist zwischen diesen Bauteilen ein guter Wärmeübergang zu erwarten. Zur Vermeidung eines störenden Wärmeabflusses ist auf diese Bauteile eine Laufradnabenkappe aufgesetzt, deren Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Bevorzugt sind Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,19 bis 0,30 W/(mK), insbesondere Hochleistungskunststoffe, z. B. Polyamidimide, oder faserverstärkte Verbundwerkstoffe, z. B. aus einem modifizierten Polyimidharz und einer Gewebeeinlage.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch den Längsschnitt durch den Rotor einer Expansionsturbine für Tieftemperaturanwendungen mit Abströmtemperaturen zwischen –80°C und –200°C.
  • Zum grundsätzlichen Aufbau des in der Figur dargestellten Rotors gehören ein fliegend angeordnetes, zentripetal durchströmtes Turbinenlaufrad 1, eine Stiftschraube 2, eine Laufradmutter 3 und eine Turbinenwelle 4. Die Stiftschraube 2 ist in eine wellenstirnseitige Gewindebohrung der Turbinenwelle 4 eingesetzt und durchfasst das Turbinenlaufrad 1. Das Turbinenlaufrad 1 ist mit Hilfe der auf dem vorstehenden Ende der Stiftschraube 2 angeordneten Laufradmutter 3 sowie der vorgespannten Stiftschraube 2 an dem Ende der Turbinenwelle 4 befestigt. Sowohl das in die Abströmung vorstehende Gewindeende 2' der Stiftschraube 2 als auch die Gewindekontaktflächen zwischen der Stiftschraube 2 und der Laufradmutter 3 sowie zwischen der Stiftschraube 2 und der Turbinenwelle 4 stellen Wärmebrücken dar, über die ein Wärmestrom von der warmen Turbinenwelle 4 in das abströmende Kaltgas abfliessen könnte. Zur Isolierung und zur Reduzierung dieses Wärmestromes ist über dem in das abströmende Kaltgas vorstehende freie Ende 2' der Stiftschraube 2 und über der Laufradmutter 3 eine Laufradnabenkappe 5 aus einem wärmedämmenden Material angeordnet. Geeignet sind Materialien mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit.
  • Im Ausführungsbeispiel besteht die Laufradnabenkappe 5 aus einem Hochleistungskunststoff, z. B. einem Polyamidimid, das unter der Handelsbezeichnung ”Torlon®” erhältlich ist. Geeignet sind auch faserverstärkte Kunststoffe, z. B. aus einem modifizierten Polyimidharz und einem Glasgewebe. Ein solches Material ist unter der Handelsbezeichnung ”Frathernit AP” bekannt.

Claims (6)

  1. Rotor einer Expansionsturbine mit einem von einem Gas beaufschlagten, zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad (1), einer Turbinenwelle (4), einer Stiftschraube (2), die in eine wellenstirnseitige Gewindebohrung der Turbinenwelle (4) eingesetzt ist und das Turbinenlaufrad (1) durchfasst, und einer auf dem vorstehenden Ende (2') der Stiftschraube (2) angeordneten Laufradmutter (3), wobei das Turbinenlaufrad (1) mit Hilfe der Laufradmutter (3) und der vorgespannten Stiftschraube (2) fliegend an dem Ende der Turbinenwelle (4) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor für Tieftemperaturanwendungen, bei denen das Turbinenlaufrad (1) von einem Kaltgas beaufschlagt ist, eine Laufradnabenkappe (5) aus einem wärmedämmenden Material aufweist, welche über dem in das abströmende Kaltgas vorstehenden freien Ende der Stiftschraube (2) und über der Laufradmutter (3) angeordnet ist.
  2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Laufradnabenkappe (5) eine Wärmeleitfähigkeit von 0,19 bis 0,30 W/(mK) aufweist.
  3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradnabenkappe (5) aus Kunststoff besteht.
  4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradnabenkappe (5) aus einem Polyamidimid besteht.
  5. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradnabenkappe (5) aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht.
  6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff aus einem modifizierten Polyimidharz und einem Glasgewebe besteht.
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