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Nahe der Verflüssigungsgrenze des antreibenden Mediums arbeitende
Gas- oder Dampfturbine Gas- oder Dampfturbinen, die nahe an der Verflüssigungsgrenze
des antreibenden, insbesondere zu entspannenden Mediums arbeiten, sind der Gefahr
ausgesetzt, daß aus der Zuleitung in den Laufradraum Flüssigkeit einbricht, wenn
durch äußere Einflüsse, beispielsweise durch Temperaturschwankungen, in der Zuleitung
ein Teil des Gases oder Dampfes sich verflüssigt. Dieses Problem ist besonders in
der Kältetechnik bei Entspannungsturbinen von Bedeutung, welche zur arbeitsleistenden
Entspannung von unter Druck befindlichen Gasen, insbesondere solchen zur Kälteerzeugung,
dienen.
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Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, Mittel zu finden, durch die
diese Gefahr bzw. die aus dem Eintreten des Flüssigkeitseinbruches sich ergebenden
Folgen verhütet oder mindestens herabgemindert werden können. Es sind bereits Sicherungen
für Entspannungsturbinen bekannt, welche zur arbeitsleistenden Entspannung von unter
Druck befindlichen Gasen, insbesondere- solchen zur Kälteerzeugung, dienen, und
die mit einem Stromerzeuger gekuppelt sind. Hier tritt die Gefahr auf, daß die Sicherungen
des mit der Entspannungsturbine gekuppelten Stromerzeugers ausfallen, wodurch die
Turbine plötzlich entlastet wird. Hierdurch kann der Läufer des Stromerzeugers Schaden
nehmen. Zur Vermeidung dieser Gefahr ist es beispielsweise bekannt, daß in der Eingangsleitung
der Entspannungsmaschine ein Absperr- oder Drosselorgan angeordnet ist, welches
bei Spannungsabfall oder Spannungslosigkeit an den Klemmen des von der Entspannungsmaschine
betriebenen Stromerzeugers selbsttätig und völlig unabhängig von anderen, gegebenenfalls
vorhandenen Regeleinrichtungen mehr oder weniger geschlossen wird.
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Diese Sicherung spricht jedoch nicht an, wenn eine Gas- oder Dampfturbine,
die nahe an -der Verflüssigungsgrenze des antreibenden, insbesondere zu entspannenden
Mediums arbeitet, gemäß der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe vor Schäden
infolge von Flüssigkeitseinbruch aus der Zuleitung in den Laufradraum. geschützt
werden soll. Andererseits sind im Dampfturbinenraum Sicherungen gegen Flüssigkeitseinbruch
bekannt, bei denen durch Einbau von Drossel- und Auffangorganen in der Rohrleitung
vor der Turbine der Staudruck des Flüssigkeitsanteils im Gasstrom zum Abschalten
der Turbine verwendet wird oder die Flüssigkeit aus der Turbinenzuleitung durch
entsprechende Vorrichtung abgeschieden und die Turbine bei bestimmter Kondensathöhe
im Abscheider abgestellt wird. Diese Vorrichtungen sprechen nicht oder nur bei Anwendung
besonderer Abscheidemaßnahmen auf Flüssigkeiten an, die im Gasstrom fein verteilt
sind, während sie b-ei Einbruch von Flüssigkeiten in großen, geschlossenen Mengen
ausreichend wirksam sind. Zudem sind hierfür immer besondere Einbauten und Armaturen
in der Rohrleitung notwendig. Es gibt aber Fälle, in denen kein derartiger Aufwand
erforderlich ist und die Sicherung der Turbine mit bedeutend einfacheren Mitteln
bewirkt werden kann. Es war also die Aufgabe zu lösen, den Impuls zum Abschalten
der Maschine an einer Stelle derselben zu entnehmen, an welcher auch im Gasstrom
fein verteilte Flüssigkeit sich stark bemerkbar macht. Dabei soll ein Minimum an
zusätzlichen Einbauten und Armaturen angewendet werden. Erfindungsgemäß geschieht
dies durch Mittel, welche die Flüssigkeit im Laufradraum selbst abfangen. Dies geschieht
dadurch, daß der Laufradraum an der Stelle, an welcher sich ein umlaufender Flüssigkeitsring
bildet, durch eine zu einem Sicherheitsschaltorgan führende Rohrleitung angezapft
ist. Das Sicherheitsschaltorgan kann ein Signal akustischer, optischer oder sonstiger
Art betätigen und/oder direkt dazu benutzt werden, insbesondere über einen Schnellschluß
und/oder andere an sich bekannte Schalt- bzw. Kupplungsorgane die Maschine stillzusetzen.
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Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens ist das
Sicherheitsschaltorgan so ausgebildet, daß es beim Ansprechen einen Abzug der
Flüssigkeit
aus dem raufradraum ganz oder teilweise bewirkt. In diesem Falle ist u. U. die Signalbetätigung
bzw. eine Stillsetzung der Turbine nicht notwendig. Zweckmäßigerweige wird man jedoch
beide Maßnahmen miteinander kombinieren.
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Es ist nun erforderlich, daß der äußere Laufradraum, in idem sich
der Flüssigkeitsring bildet, so gestaltet ist, daß die rechtzeitige Flüssigkeitsabscheidung
und gegebenenfalls laufende Flüssigkeitsabführung begünstigt wird. Zu -diesem Zwecke
ist es in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens vorteilhaft, den Laufradraum
in vorzugsweise radialer Richtung ringförmig zu erweitern.
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Besonders bei solchen Turbinen, in denen der Druck an der Anzapfstelle
-schon bei normalem Betrieb in Abhängigkeit von dem Druck eines anderen Raumes,
beispielsweise dem-Abgasdruck, variiert,'ist es gemäß einer weiteren Ausbildung
des Erfindungsgedankens zweckmäßig, das Sicherheitsschaltorgan bezüglich dieser
beiden Drücke als Differenzdruckschalter auszubilden.
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Die Erfindung ist grundsätzlich anwendbar bei Turbinen, welche mit
Dämpfen hoher Temperaturen betrieben werden. Von vielleicht noch größerer Bedeutung
ist die Erfindung jedoch für bei tiefer Temperatur verflüssigte Gase immZusammenhang
mit Luft-oder Gaszerlegungsanlagen-. Gerade bei den als Radialturbinen ausgeführten
Luftentspannungsturbinen von Tieftemperaturanlagen zur-Luftzerlegung hat es sich
nämlich wiederholt gezeigt, daß während des Kaltfahrens des Apparates oder im Betrieb
Schäden auftreten, die offensichtlich auf Flüssigkeitseinbruch in die Turbine zurückzuführen.
waren. Solche Schäden sind z. B. der übermäßige- Verschleiß der Düsenblätter im
Düsenring sowie der Verschleiß an den Laufschaufeln und auch bei stärkerem Flüssigkeitseinbruch
Beschädigung des hochbelasteten Turbinenlängslagers mit allen dazugehörigen Folgeschäden.
Insbesondere bei radial von außen beaufschlagten Laufrädern kann der im Spaltraum
zwischen Düsenring und Laufrad entstehende Flüssigkeitsring im Zusammenhang mit
der Verdampfung einer gewissen Flüssigkeitsmenge zu erhöhten Axialkräften und damit
zur Zerstörung des Axiallägers führen.
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In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Turbine nach der Erfindung
beispielsweise dargestellt. 1 bedeutet das Schaufelrad einer Turbine, deren Welle
2 in einem Lager 3 angeordnet ist. 4 bedeutet eine Schaufel des Schaufelrades, die
von einem in Richtung des Pfeiles 5 der Düse 6 entströmenden Strom kalter Luft beaufschlagt
wird, welche so weit abgekühlt ist, daß sie sich dicht vor ihrem Verflüssigungspunkt
befindet. Die abgekühlte und komprimierte Luft strömt in Richtung des Pfeiles 7
in die Zuleitung 8, die sich in dem Raum 9 vor der Düse 6 in der aus der Zeichnung
ersichtlichen Weise verengt.. 10 ist der Abgasraum, in welchem sich der durch Austritt
aus der Düse entspannende und dabei gleichzeitig durch Drehung .des Schaufelrades
1 arbeitsleistende Luftstrom sammelt, um von dort der weiteren Bearbeitung, beispielsweise
einer Luftzerlegungsrektifizierkolonne, zugeführt zu werden.
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Tritt nun durch die Düse 6 zusammen mit dem Luftgasstrom gleichzeitig
in mehr oder weniger feiner Verteilung etwas flüssige Luft ein, so wird diese von
dem Laufschaufelkranz und der Laufradscheibe auf hohe Umfangsgeschwindigkeit gebracht
und zu einem Flüssigkeitsring verdichtet, der im äußeren Spaltraum 11 des Laufradraumes
umläuft. In diesem Flüssigkeitsring bildet sich nach außen hin ein merkliches Druckgefälle
aus, mit parabolisch zunehmendem Druck. Gleichzeitig dürfte eine gewisse Flüssigkeitsmenge
verdampfen, so daß der Spaltüberdruck schnell und - abhängig von der eingeströmten
Flüssigkeitsmenge - mehr oder weniger stark ansteigt, was letzten Endes die Ursache
für erhöhte Längsschübe hinter dem Laufrad darstellt. Die Stelle, an der sich der
Flüssigkeitsring zunächst ausbildet und von der sich die Flüssigkeit allmählich
bei Zunahme der Flüssigkeitsmenge in Richtung auf die Achse 2 hin innerhalb des
Spaltraums bewegt und dabei den Druck erhöht, ist mit 12 bezeichnet; sie zeigt zur
Düse 6 hin und in radialer Richtung nach außen eine Erweiterung, durch .die erreicht
wird, daß der Flüssigkeitsring zunächst noch keine oder nur geringe Berührung mit
dem Schaufelrad 1-- hat. Sobald sich dieser torusartige Erweiterungsraum 12 mit
einer gewissen Menge von umlaufender Flüssigkeit gefüllt hat, gelangt diese in eine
erfindungsgemäß vorgesehene Rohrleitung 13, welche in den Raum 12 mündet und dort
als Zapfstelle wirkt. Die Rohrleitung 13 ist mit der einen Kammer eines Differenzdruckschalters
14 verbunden, dessen andere Kammer über eine Rohrleitung 15 mit dem Abgasraum 10
kommuniziert.
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In die Rohrleitung 13 eintretende Flüssigkeit betätigt den Druckschalter,
wodurch ein elektrischer Kontakt 16 mechanisch geöffnet wird. Hierdurch wird eine
Spule 17 aberregt, woraufhin der Magnet 18 auf Grund der Schwerewirkung sinkt und
einen Schnellschluß freigibt, der aus einer in die Zuleitung 8 eingebauten Klappe
19 besteht, die unter der Wirkung einer Feder 21 mittels eines Hebels 22 geschlossen
wird.
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Durch die elektrischen Leitungen 23 ist angedeutet, daß durch denselben
Schaltmechanismus gleichzeitig auch noch ein an die Turbine angeschlossener Stromgenerator
außer Tätigkeit gesetzt werden kann.
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Für den Fall, @daß eine zeitweilige oder ständige Entnahme von Flüssigkeit
aus dem ringförmigen Raum 12 stattfinden soll, kann hierzu entweder eine zusätzliche
Zapfstelle mittels einer besonderen Rohrleitung vorgesehen sein, welche in gleichem
radialem Abstand von der Welle 2 wie die Leitung 13 oder sogar in etwas größerem
Abstande von ihr angeordnet ist, um kleine Flüssigkeitsmengen bereits abzuführen
bzw. den Spaltraum etwas zu entlasten, bevor der Druckschalter 14 wirksam wird,
oder es kann die Rohrleitung 13 mit einer Verzweigung ausgestattet sein, so daß
die Flüssigkeit von einer gegebenenfalls erweiterten Stelle dieser Leitung abgenommen
werden kann.