DE102007029881B4 - expansion turbine - Google Patents

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Abstract

Expansionsturbine mit wenigstens einem eine Turbinenwelle (1) aufweisenden Turbinenrotor, der mittels eines Axiallagers (3, 4) gelagert ist, wobei eine auf der Turbinenwelle (1) vorgesehene Axiallagerscheibe (2') zur Aufnahme in dem Axiallager (3, 4) ausgebildet ist, wobei die Axiallagerscheibe (2') entlang ihres Umfangs mit einer V-förmigen Nut ausgebildet ist und im Wesentlichen mittig zur Gesamtlänge der Turbinenwelle (1) angeordnet ist.

Figure DE102007029881B4_0000
Expansion turbine having at least one turbine rotor having a turbine shaft (1), which is mounted by means of a thrust bearing (3, 4), wherein on the turbine shaft (1) provided Axiallagerscheibe (2 ') for receiving in the thrust bearing (3, 4) is formed wherein the axial bearing disc (2 ') is formed along its circumference with a V-shaped groove and is arranged substantially centrally of the overall length of the turbine shaft (1).
Figure DE102007029881B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsturbine, aufweisend wenigstens einen mittels eines Axiallagers gelagerten Turbinenrotor.The invention relates to an expansion turbine, comprising at least one turbine rotor mounted by means of a thrust bearing.

Expansionsturbinen werden seit langem zur Kälteerzeugung bei prozesstechnischen Gasen, wie bspw. Wasserstoff, Helium, Stickstoff u. a., eingesetzt. Dabei wird über eine verlustbehaftete Gasentspannung des zu entspannenden Prozessgases und der Umwandlung der Strömungskraft in eine Rotationsbewegung des Turbinenrotors dem Prozessgas Wärmeleistung entzogen. Das zu entspannende Prozessgas wird bei diesem Vorgang in der Turbinenstufe abgekühlt.Expansion turbines have long been used for cooling in process gases, such as, for example, hydrogen, helium, nitrogen and. a., Used. In this case, heat loss is removed from the process gas via a lossy gas relaxation of the process gas to be relaxed and the conversion of the flow force into a rotational movement of the turbine rotor. The process gas to be relaxed is cooled during this process in the turbine stage.

Für die Lagerung der Expansionsturbinen existieren unterschiedliche Bauformen. Dynamisch gasgelagerte Expansionsturbinen verfügen über ein Gaslager, das keine externe Gaslagerversorgung zum Betrieb erfordert. Lediglich zum Anfahren sowie Herunterfahren ist eine temporäre Versorgung mit Lagergas notwenig. Für die Lagerung der Turbinenwelle kommen bei dynamisch gasgelagerten Expansionsturbinen Radial- und ein Axiallager zur Anwendung. Das zentrale Funktionselement der Axiallagerung ist hierbei die Axiallagerscheibe, die den Axialschub an der Turbinenwelle in Richtung Turbine als auch in entgegengesetzter Richtung aufnimmt.For the storage of expansion turbines different designs exist. Dynamic gas-bearing expansion turbines have a gas bearing that does not require an external gas bearing supply for operation. Only for startup and shutdown a temporary supply of storage gas is necessary. Radial and thrust bearings are used for the storage of the turbine shaft in dynamically gas-bearing expansion turbines. The central functional element of the axial bearing is in this case the axial bearing disc which receives the axial thrust on the turbine shaft in the direction of the turbine as well as in the opposite direction.

Die gattungsgemäße Expansionsturbine bzw. deren Axiallagerung sei nachfolgend anhand des in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die 1a und 1b zeigen hierbei schematisierte seitliche Schnittdarstellungen durch das Ausführungsbeispiel.The generic expansion turbine or its axial bearing is below with reference to the in the 1a and 1b illustrated embodiment explained in more detail. The 1a and 1b show here schematic side sectional views through the embodiment.

Dargestellt sind ein oberes Axiallager 3 sowie ein unteres Axiallager 4. Die Axiallager 3 und 4 dienen der Aufnahme der mit derTurbinenwelle 1 verbundenen Axiallagerscheibe 2. Die Axiallagerscheibe 2 bildet zusammen mit dem Axiallager 3 einerseits und dem Axiallager 4 andererseits jeweils zwei Paarungen von Lagerwirkflächen. Diese Paarungen von Lagerwirkflächen haben die Aufgabe, den Axialschub in beide möglichen Richtungen entlang der Rotationsachse der Turbinenwelle 1 aufzunehmen.Shown are an upper thrust bearing 3 and a lower thrust bearing 4 , The thrust bearings 3 and 4 serve to accommodate the with the turbine shaft 1 connected thrust washer 2 , The thrust washer 2 forms together with the thrust bearing 3 on the one hand and the thrust bearing 4 on the other hand two pairs of bearing active surfaces. These pairings of bearing active surfaces have the task of axial thrust in both possible directions along the axis of rotation of the turbine shaft 1 take.

Die eigentliche Zone der Lagerung liegt in den Lagerwirkflächen nahe dem Schaft der Turbinenwelle 1 im inneren Bereich der Axiallagerscheibe 2. Der äußere Bereich der Lagerwirkflächen fördert in erster Linie Gas von außen nach innen in die Lagerzone. Die Zone höchster Tragfähigkeit ist in der 1a mit einem Kreis 5 markiert.The actual zone of the bearing is located in the bearing effective surfaces near the shaft of the turbine shaft 1 in the inner region of the thrust washer 2 , The outer region of the bearing active surfaces promotes primarily gas from outside to inside in the storage zone. The zone of highest load capacity is in the 1a with a circle 5 marked.

Treten nunmehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf, verformen sich - wie in der 1b dargestellt - die Lagerwirkflächen der Axiallagerscheibe 2 elastisch konkav in absoluter Länge um wenige Mikrometer. Diese unerwünschte, elastisch konkave Verformung verringert die Tragfähigkeit des Axiallagers aus den folgenden Gründen:Now occur at high peripheral speeds, deform - as in the 1b shown - the bearing active surfaces of the thrust washer 2 elastic concave in absolute length by a few microns. This undesirable, elastically concave deformation reduces the bearing capacity of the thrust bearing for the following reasons:

Die Tragfähigkeit wird im Wesentlichen vom Abstand zwischen der Paarung der Lagerwirkflächen am Rotor (Axiallagerscheibe 2) zum Stator (Axiallager 3 bzw. Axiallager 4) bestimmt. Der Abstand zwischen den Lagerwirkflächen vom Rotor zum Stator beträgt im Betriebszustand nur wenige Mikrometer. Grundsätzlich gilt, dass je geringer der mögliche sich einstellende Abstand der Lagerwirkflächen ist, destogrößer ist die Tragfähigkeit des Axiallagers. Die elastisch konkave Verformung der Lagerwirkflächen am Rotor verringert den möglichen sich einstellbaren Abstand zwischen den Lagerwirkflächen. Die elastische Verformung am Rotoraußenrand (Axiallagerscheibe 2) vergrößert den minimal möglichen Abstand zum Stator (Axiallager 3 bzw. Axiallager 4), da es sonst bei einem zu geringen Abstand der Lagerwirkflächen zur Kollision von Rotor und Stator kommt. Dabei gilt: Die Tragfähigkeit nimmt mit wachsendem Abstand der Lagerwirkflächen von Rotor und Stator ab.The load capacity is essentially the distance between the pair of bearing active surfaces on the rotor (Axiallagerscheibe 2 ) to the stator (thrust bearing 3 or thrust bearing 4 ) certainly. The distance between the bearing effective surfaces from the rotor to the stator is only a few micrometers in the operating state. Basically, the lower the possible adjusting distance of the bearing effective surfaces, the greater the load bearing capacity of the axial bearing. The elastically concave deformation of the bearing active surfaces on the rotor reduces the possible settable distance between the bearing active surfaces. The elastic deformation on the rotor outer edge (thrust washer 2 ) increases the minimum possible distance to the stator (thrust bearing 3 or thrust bearing 4 ), otherwise there will be a collision between the rotor and the stator if the bearing effective area is too small. The following applies: The load-bearing capacity decreases with increasing distance between the bearing surfaces of the rotor and the stator.

Mit steigender Drehzahl führt eine latent vorhandene Unwucht des Turbinenrotors 1 zur zunehmenden Taumelbewegungen der Axiallagerscheibe 2. Die Taumelbewegung erhöht aufgrund der ungünstigen elastisch konkaven Verformung am Außenrand die Kollisionsgefahr und verringert die Lagerwirkfläche auf der Axiallagerscheibe 2.With increasing speed leads a latent imbalance of the turbine rotor 1 to the increasing wobbling movements of the thrust washer 2 , The wobble increases due to the unfavorable elastic concave deformation on the outer edge of the risk of collision and reduces the bearing effective area on the thrust washer 2 ,

Zudem wirkt die elastisch konkave Verformung der Axiallagerscheibe 2 der Arbeitsweise der Axiallagerung - nämlich einer von außen nach innen pumpenden geometrischen Einheit mit Querschnittsverengung und verzögerter Strömung mit Druckaufbau - entgegen.In addition, the elastically concave deformation of the axial bearing disc acts 2 the operation of the axial bearing - namely a pumping from outside to inside geometric unit with cross-sectional constriction and delayed flow with pressure build-up - contrary.

Aufgrund der aufgeführten Eigenschaften der bestehenden Konstruktion kann das Potential und Funktionalität der Lagerwirkflächen für das Axiallager bei höheren Drehzahlen nicht ausgeschöpft werden.Due to the listed properties of the existing design, the potential and functionality of the bearing active surfaces for the thrust bearing can not be exploited at higher speeds.

Aus der US 3 778 123 A ist eine Wellenlagerung bekannt, deren Axiallagerscheibe des Axiallagers in Form einer Axiallagerspindel ausgebildet ist. Diese Druckschrift betrifft keine Expansionsturbine, sondern ein Fluid enthaltendes Lager, welches insbesondere für Gyroskope eingesetzt werden kann.From the US Pat. No. 3,778,123 a shaft bearing is known, the thrust bearing of the thrust bearing is designed in the form of a Axiallagerspindel. This document does not relate to an expansion turbine, but a fluid-containing bearing, which can be used in particular for gyroscopes.

Die US 6 655 910 B2 beschreibt ein Gaslagersystem zur Verwendung in einem Turbokompressor, wobei Wellenlagerungen vorgesehen sind, deren Axiallagerscheibe des Axiallagers in Form einer Axiallagerspindel ausgebildet ist.The US Pat. No. 6,655,910 B2 describes a gas bearing system for use in a turbocompressor, wherein shaft bearings are provided, the thrust bearing of the thrust bearing is designed in the form of a thrust bearing spindle.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Expansionsturbine, aufweisend wenigstens einen mittels eines Axiallagers gelagerten Turbinenrotor, anzugeben, die die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet.Object of the present invention is to provide a generic expansion turbine, comprising at least one mounted by means of a thrust bearing turbine rotor, which avoids the disadvantages described above.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Expansionsturbine mit wenigstens einem eine Turbinenwelle aufweisenden Turbinenrotor, der mittels eines Axiallagers gelagert ist, wobei eine auf der Turbinenwelle vorgesehene Axiallagerscheibe zur Aufnahme in dem Axiallager ausgebildet ist, wobei die Axiallagerscheibe entlang ihres Umfangs mit einer V-förmigen Nut ausgebildet ist und im Wesentlichen mittig zur Gesamtlänge der Turbinenwelle angeordnet ist.This object is achieved by an expansion turbine with at least one turbine shaft having a turbine rotor, which is mounted by means of a thrust bearing, wherein a provided on the turbine shaft thrust washer is adapted for receiving in the thrust bearing, wherein the thrust washer formed along its circumference with a V-shaped groove is and is arranged substantially centrally of the overall length of the turbine shaft.

Die erfindungsgemäße Expansionsturbine sowie weitere Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in den 2a und 2b dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die 2a und 2b zeigen hierbei schematisierte seitliche Schnittdarstellungen durch das Ausführungsbeispiel.The expansion turbine according to the invention and further embodiments thereof are described below with reference to the in the 2a and 2 B illustrated embodiment illustrated. The 2a and 2 B show here schematic side sectional views through the embodiment.

Dargestellt sind wiederum ein oberes Axiallager 3 sowie ein unteres Axiallager 4. Diese Axiallager dienen der Aufnahme der mit der Rotorwelle 1 verbundenen Axiallagerscheibe 2', die erfindungsgemäß in Form einer Axiallagerspindel ausgebildet ist. Die Zone höchster Tragfähigkeit ist in der 2a ebenfalls mit einem Kreis 5 markiert.Shown again are an upper thrust bearing 3 and a lower thrust bearing 4 , These thrust bearings serve to accommodate the rotor shaft 1 connected thrust washer 2 ' , which is formed according to the invention in the form of a Axiallagerspindel. The zone of highest load capacity is in the 2a also with a circle 5 marked.

Treten nunmehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf, kommt es ebenfalls zu einer elastischen und aufgrund der Spindelform konvexen Verformung der Lagerwirkflächen der Axiallagerscheibe 2' in absoluter Länge um wenige Mikrometer, wie dies in der 2b dargestellt ist. Diese elastisch konvexe Verformung erhöht nunmehr jedoch die Tragfähigkeit des Axiallagers aus folgenden Gründen:If high circumferential speeds now occur, an elastic deformation of the bearing active surfaces of the axial bearing disk, which is convex due to the spindle shape, likewise occurs 2 ' in absolute length by a few microns, as in the 2 B is shown. However, this elastically convex deformation now increases the bearing capacity of the thrust bearing for the following reasons:

Die auftretende, elastisch konvexe Verformung der Axiallagerscheibe 2' beeinflusst den einstellbaren Abstand der Lagerwirkflächen zwischen Rotor (Axiallagerspindel) und Stator (Axiallager 3 bzw. 4) positiv. Der minimal mögliche Abstand der Lagerwirkflächen zwischen Rotor und Stator verringert sich, die maximale Tragfähigkeit erhöht sich.The occurring, elastically convex deformation of the thrust washer 2 ' influences the adjustable distance of the bearing effective surfaces between rotor (axial bearing spindle) and stator (thrust bearing 3 or. 4 ) positive. The minimum possible distance of the bearing active surfaces between rotor and stator is reduced, the maximum load capacity increases.

Die Axiallagerscheibe 2' ist mittig zur Gesamtlänge des Turbinenrotors angeordnet. Aufgrund der geometrischen Formgebung der Axiallagerscheibe 2' als Axiallagerspindel wirkt der gyroskopische Effekt eines Kreisel seiner möglichen Taumelbewegung induziert durch eine latente Unwucht der Turbinenwelle 1 entgegen. Die Balligkeit der elastisch konvexen Verformung der Lagerwirkflächen des Rotors ist unkritisch gegenüber einer möglichen Kollisionsgefahr am Außenrand der Axiallagerscheibe 2'.The thrust washer 2 ' is arranged centrally to the total length of the turbine rotor. Due to the geometric shape of the thrust washer 2 ' As a thrust bearing spindle, the gyroscopic effect of a gyro of its possible tumbling motion is induced by a latent imbalance of the turbine shaft 1 opposite. The crowning of the elastically convex deformation of the bearing surfaces of the rotor is not critical to a possible risk of collision on the outer edge of the thrust washer 2 ' ,

Darüber hinaus ist die elastisch konvexe Verformung der Axiallagerscheibe 2' für die Arbeitsweise der Lagerwirkflächen hilfreich. Es stellt sich eine Querschnittsverengung vom Außenrand der der Axiallagerscheibe 2' nach innen zur Lagerwirkfläche nahe dem Schaft 1 des Turbinenrotors ein. Somit wird die Kompressionswirkung der Lagerwirkflächen gefördert.In addition, the elastically convex deformation of the thrust washer 2 ' helpful for the operation of the bearing surfaces. It turns a cross-sectional constriction from the outer edge of the thrust washer 2 ' inward to the bearing effective area near the shaft 1 of the turbine rotor. Thus, the compression effect of the bearing active surfaces is promoted.

Aufgrund der aufgeführten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Expansionsturbine kann nunmehr erstmals das Potential und Funktionalität der Lagerwirkflächen für das Axiallager bei höheren Drehzahlen voll ausgeschöpft werden.Due to the listed properties of the expansion turbine according to the invention, the potential and functionality of the bearing active surfaces for the axial bearing can now be fully exploited for the first time at higher speeds.

Claims (1)

Expansionsturbine mit wenigstens einem eine Turbinenwelle (1) aufweisenden Turbinenrotor, der mittels eines Axiallagers (3, 4) gelagert ist, wobei eine auf der Turbinenwelle (1) vorgesehene Axiallagerscheibe (2') zur Aufnahme in dem Axiallager (3, 4) ausgebildet ist, wobei die Axiallagerscheibe (2') entlang ihres Umfangs mit einer V-förmigen Nut ausgebildet ist und im Wesentlichen mittig zur Gesamtlänge der Turbinenwelle (1) angeordnet ist.Expansion turbine having at least one turbine rotor having a turbine shaft (1), which is mounted by means of a thrust bearing (3, 4), wherein on the turbine shaft (1) provided Axiallagerscheibe (2 ') for receiving in the thrust bearing (3, 4) is formed wherein the thrust washer (2 ') is formed along its circumference with a V-shaped groove and is arranged substantially centrally of the overall length of the turbine shaft (1).
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