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Zur Kühlung gasförmigen Mediums bestimmte Expansionsturbine mit angekuppeltem
Turboverdichter Die Erfindung bezieht sich auf eine zur Kühlung ,gasförmigen Mediums,
bestimmte Expansionsturbine mit von ihr angetriebenem Turboverdichter.
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Bei bisherigen Turbinen mit Verdichter wird vom Verdichter Luft aus
der Umgebung angesaugt und wieder in die Umgebung ausgeblasen.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß der Verdichter in einem
geschlossenen Gaskreislauf liegt, der einen Kühler und in Reihe dazu ein Dro,ss.elo-rgan:
enthält und gegenüber der die Turbine durchsetzenden Strömung einen besonderen,
zusätzlichen Kreislauf bildet. Der Verdichterkreislauf läßt sich dann unter Überdruck,
also aufgeladen betreiben, so daß den Verdichter größere Gasmassen durchsetzen als
bei der bisherigen Anordnung. Demzufolge wird die durch den Verdichter abgeführte
Leistung größer. Besitzt der Verdichterkreis etwa gleichen Druck wie die Strömung
durch die Turbine, so genügt es, Turbinen- und Verdichterraum mittels einer einfachen
Dichtung, gegebenenfalls einer Labyrinthdichtung, gegeneinander abzudichten.
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Bei einer Bauart nach der Erfindung ist der Verdichterkreislauf aus
gleichem Gas gebildet wie die die Turbine durchsetzende Strömung. In diesem Fall
kann etwa aus dem Verdiahterkreis in die Turbine tretendes Gas, z. B. Kältemittel,
in den Teilen des Turbinenkreises keinen Schaden anrichten. Umgelehrt verbleibt
der Verdichterkreis, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen sind und ausreichende
Verbindung hergestellt ist, selbsttätig unter dem Druck des Turbinenkreises.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Lagerung einer
gemeinsamen, den Turbinen- und Verdichterrotor tragenden Welle mit aus dem Verdichterkreislauf
stammendem Gas geschmiert, welches nach Durchsetzen der erwähnten Teile in den Verdichterkreis
zurückgeführt ist. Zweckmäßig ist die Rotorenwelle zwischen Lagerung und Labyrinthdichtung
einerseits und Turbine andererseits von einem Ringraum umschlossen, an den ein Druckausgleichskanal
zum Zu- und Abführen von Gas angeschlossen ist. Auf diese Weise läßt sich der Druck
in dem Ringraum auf die Höhe des in der Turbine herrschenden Druckes bringen, und
zwar dadurch, daß entweder etwas Gas zu- oder abgeführt wird, je nachdem, ob der
Druck des Turbinenkreises tiefer oder höher als der im Ringraum ist. Es kann dann
auf jeden Fall dafür gesorgt werden, daß kein Gas aus dem Verdichterkreis in den
Turbinenkreis strömt, so daß der Verdichterkreis ohne weiteres unter einer normalen
Temperatur von beispielsweise etwa -f-20° C gehalten werden kann, während der Turbinenkreis
beispielsweise etwa -90° C aufweisen kann. Vorteilhaft enthält der Druckausgleichskanal
eine selbsttätige, in Abhängigkeit von der Differenz der Drücke im Turbineninneren
und dem Ringraum gesteuerte Differentialdruckregelvorrichtung.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist eine
Lagerung einer gemeinsamen, den Turbinen- und Verdichterrotor tragenden Welle mit
aus der Turbinenströmung stammendem Gas geschmiert, welches nach Durchsetzen der
Lagerung in die Turbinenströmung zurückgeführt ist. Vorteilhaft ist über eine Labyrinthdichtung
der gemeinsamen Welle Verbindung zwischen der Turbineneinström-und der Verdichterausströmseite
hergestellt. Die Labyr inthdichtung steht z. B. an dem dem Verdichter zugekehrten
Ende mit der Einströmseite der Turbine in Verbindung, so daß sich der an der Einströmöffn.ung
der Turbine herrschende Druck auch im Verdichterkreis einstellt. Die umgewälzten
Gasmassen des Verdichterkreises, die abgeführte Wärmeenergie sowie die Expansionskühlung
in der Turbine erhalten dann, sofern von besonderen Druckerhöhungsmaßnahmen für
den Verdichterkreis abgesehen wird, Maximalwerte. Zweckmäßig ist bei diesem Beispiel
das dem Verdichter abgekehrte Ende der Labyrinthdichtung mit der Ausströmseite der
Turbine verbunden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der
Durchlaßquerschnitt des Drosselorgans in dem Verdichterkreis einstellbar. Die Drehzahl
der Turbine und damit der optimale Wirkungsgrad und die Kühlwirkung bei der Expansion
lassen sich dann ausschließlich durch Verändern des Durchlaßquerschnitts des Drosselorgans
einstellen. Vorteilhaft ist eine selbsttätige Vorrichtung zum Einstellen des Durchlaßquerschnitts
des Drosselorgans in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße einer die Turbine enthaltenden
Kälteanlage eingebaut. Als Betriebsgröße kommt z. B. die in einem Kühlraum der Kälteanlage
aufrechtzuerhaltende Temperatur in Betracht, die als Steuergröße etwa eines Thermostats
benutzt werden kann, über den der Durchlaßquerschnitt des Drosselorgans eingestellt
wird.
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Die Zeichnung zeigt zwei Ausführungsbeispiele. Fig. 1 ist eine erste
Bauart einer erfindungsgemäß ausgebildeten Expansionsturbine mit einem zugehörigen
Turboverdichter in schematischer Darstellung; Fig.2 veranschaulicht eine weitere
Ausführungsform, ebenfalls in schematischer Darstellung.
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Der Rotor 1 einer als Ganzes mit 2 bezeichneten Turbine sitzt auf
der gleichen Welle 3 wie der Rotor 4 eines zugehörigen Gebläses 5. Die z. B. unter
13 ata und -90° C stehende Einströmseite 6 der Turbine steht mit zwei Gaslagern
7, 8 über Leitungen 9, 11, 12 und mit der dem Gebläse 5 zugekehrten Seite 13 einer
als Ganzes mit 14 bezeichneten Labyrinthdichtung über die Leitungen 9, 15 in Verbindung.
Die Lagergassammelräume 16, 17 sind über Leitungen 18, 19, 23 und ein dem Gebläse
5 abgekehrter Raum 21 der Labyrinthdichtung ist über Leitungen 22, 23 mit der z.
B. unter etwa 10 ata und -110° C stehenden Ausströmseite 24 der Turbine 2 verbunden.
Die Turbine liegt im Gas-, z. B. Wasserstoff- oder Heliumkreislauf 25 einer Tiefkälteanlage.
Über die Leitungen 9, 11, 12 und 15 sind die Lager 7, 8 der Welle 3 sowie der Ringraum
13 der Labyrinthdichtung 14 mit gasförmigem Medium des Druckes bei 6 gespeist.
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Das Gebläse 5 liegt mit seiner Einströmseite 27 und seiner Ausströmseite
28 in einem besonderen, zusätzlichen, geschlossenen, aus gleichem Gas wie Kreis
25 bestehenden Gaskreislauf 29, der ein Drosselorgan 30
mit einstellbarem
Durchlaßquerschnitt und in Strömungsrichtung dahinter einen Wasserkühler 31 enthält.
Aber den Kühler 31 wird die von der Turbine an das Gebläse und von diesem durch
Kompression z. B. von 12 auf 13 acta an das Gasbei dem Beispiel Wasserstoff - übertragene
Energie nach außen abgeführt, so daß das Gas z. B. von -I-20 auf -f-12° gekühlt
wird. Das gekühlte Gas tritt von neuem in das Gebläse ein. Durch Einstellen des
Durchlaßquerschnitts des Organs 30 lassen sich Leistung und Drehzahl (z. B. 150
000 min-I) der Turbine und damit ihre Kühlleistung regulieren. Der Durchlaßquerschnitt
des Organs 30 kann gegebenenfalls selbsttätig in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße
einer die Turbine 2 enthaltenden Anlage, z. B. von der Temperatur eines Kühlraums
aus, gesteuert sein, die als Steuergröße für einen nicht gezeichneten Thermostat
benutzt ist, von dem aus Organ 30 geregelt wird.
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An der Stelle 32 des Umfangs des Rotors 4 des Gebläses herrscht der
gleiche, relativ große Druck (z. B. 13 ata) wie an der Stelle 6 der Turbine, und
zwar weil über die Teile 9, 15, 13 der bei 6 herrschende Druck auf Stelle 32 gegeben
wird. In dem Kreis 29 werden daher besonders große Gasmassen urigewälzt, wodurch
die auf die Turbine ausgeübte, von dem- Gebläse und dem Kreis 29 herrührende Bremswirkung
besonders groß ist.
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Während die Turbine 2 und die Teile 7, 8, 14 -wie schematisch durch
die strichpunktierte Umrandung 33 angedeutet - unter der tiefen Betriebstemperatur
(z. B. etwa -90° C) der Kälteanlage stehen, können das Gebläse 5 und der Kreis 29
mit den Teilen 30 und 31 - wie schematisch durch die strichpunktierte
Umrandung 34 veranschaulicht -unter normaler Temperatur, also z. B. unter -f-20°
C stehen.
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Bei dem Beispiel nach Fig. 2 sind die Lager 7', 8' und die Labyrinthdichtung
14 in dem unter normaler Temperatur stehenden Bereich 34 enthalten. Aus dem Gebläsekreis
29, der wieder gleiches Gas wie der Turbinenkreis 25 enthält, ist bei 41 eine einen
Kompressor 43 für das Lagergas enthaltende Leitung 42 abgezweigt, die sich bei 44
in zwei Zweige 45, 46 teilt, welche in die Lager 7', 8' geführt sind. Das Lagergas
wird über Leitungen 48, 49 abgeführt und in die Ausströmseite 32 des Gebläses 5
zurückgeleitet. Bei 41 ist ferner eine Leitung 51 angeschlossen, die eine aus einem
Drosselorgan und einem Druckregler bestehende Druckregelvorrichtung 52 enthält,
über welche aus einer Leitung 53 kommendes Gas in den Kreis 29 zugeleitet oder über
,die auch Gas aus Kreis 29 abgelassen werden kann, das über eine Leitung 54 entweicht.
Die Vorrichtung 52 vermag also dafür zu sorgen, daß bei 41 und damit auf der Saugseite
27 des Gebläses 5 konstanter Druck herrscht. Ferner kann durch sie der Betrag des
Druckes eingestellt werden. Mit der Vorrichtung 52 kann also die Dichte des umgewälzten
Gases im Bremskreislauf und damit die Bremsleistung reguliert werden.
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Weiter ist an dem Ringraum 21, der an dem der Turbine zugekehrten
Ende der Labyrinthdichtung 14 liegt, eine Leitung 55 angeschlossen, über die der
Druck im Ringraum 21 beeinflußt, und zwar erhöht oder erniedrigt werden kann, so
daß in den Räumen 16, 21 ständig gleicher Druck und dadurch keine Strömung vom Ringraum
21 in Richtung auf die Turbine und umgekehrt herrscht. Leitung 55 enthält eine ein
Drosselorgan und einen Druckregler umfassende Differentialdruckregelvorrichtung
56, die über -an Leitung 55 und an Raum 16 angeschlossene Steuerleitungen 57, 61
in Abhängigkeit von der Differenz der in den Räumen 21, 16 herrschenden Drücke gesteuert
ist. Die Vorrichtung 56 kann z. B. aus einem das zugehörige Ventil betätigenden
Differentialdruckkolben bestehen, der einerseits von dem Druck im Raum 21 und andererseits
von dem Druck im Raum 16 beaufschlagt ist und über den Gas aus Leitung
58
in Raum 21 eingeleitet werden kann oder über den Gas aus Raum 21 über Leitung
59 in einen zu der Anlage gehörenden Gasometer abgelassen werden kann. Die Vorrichtung
56 und die Teile 55, 61, 57 vermögen dafür zu sorgen, daß während des Dauerbetriebs
kein warmes Gas aus dem Labyrinth 14 oder der Leitung 58 in die kalte Turbine bei
16 einströmen kann.
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In dem Fall, wo der Druck des Gebläsekreises 29
höher als der
des Turbinenkreises ist, muß eine über die Teile 7', 8", 14 und 21 sowie durch die
Leitungen 55 und 59 aus dem Bremskreislauf ständig abströmende Gasmenge in Kauf
genommen werden, die um so kleiner ist, je besser das Labyrinth 14 abdichtet, und
die von der Leitung 53 her über den Regler 52 ständig kompensiert wird. Will man
hingegen den Druck im Bremskreislauf tiefer halten als denjenigen in den Räumen
16 und 21, so muß die durch das Labyrinth
14 und die Leitung 49
strömende Gasmenge aus Leitung 58 über den Regler 56 und Leitung 55 nachgespeist
und über Leitung 51 und Regler 52 in die Entlastungsleitung 54 abgelassen werden.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform enthält der Gebläsekreis 29
ein anderes Gas als der Kreis 25 der Turbine. Besonders bei Bauarten gemäß Fig.2,
wo die Lagerteile unter normaler Temperatur stehen, können statt gasgeschmierte
auch flüssigkeitsgeschmierte Lager für die Welle 3 verwendet werden.