DE1425954A1 - Wellenlagerung fuer die Laufradwelle einer Entspannungsturbine fuer tiefe Temperatur - Google Patents

Description

Patentanmeldung P 14 25 95^.2 LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

S 64/91

II.II.I968 Ulb/kr

Wellenlagerung für die Laufradwelle

einer Entspannungsturbine für tiefe

Temperatur ,

Die Erfindung betrifft eine Wellenlagerung für die Laufradwelle einer Entspannungsturbine für tiefe Temperatur, wobei die Laufradwelle aus einem am Läufer befindlichen Tieftemperaturbereich in einen wesentlich wärmeren, z. B. annähernd normale Umgebungstemperatur aufweisenden Bereich geführt ist, mit mindestens zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Lagerstellen und mit Mittel zur Vernichtung der Turbinenleistung.

Bekannterweise ist die Laufradwelle derartiger Turbinen insgesamt entweder in flüssigkeitsgeschmierten oder

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Unuxlagen

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in gasgeschmierten Lagerstellen gelagert. Dabei müssen flüssigkeitsgeschmierte Lagerstellen in einem Temperaturbereich liegen, in dem die Schmierflüssigkeit, also das öl brauchbare Schmiereigenschaften besitzt. Für Entspannungsturbinen zur Kälteerzeugung gilt, daß ihre Abmessungen umso kleiner und ihre Drehzahl umso höher ist, Je tiefer die Temperatur an ihrer Austrittsseite sein soll. Die vorliegende Erfindung bezieht sich vornehmlich auch auf Entspannungsturbinen für einen Temperaturbereich um den Siedepunkt des Wasserstoffs oder des Heliums und für Anlagen mit dementsprechend kleinen Gasdurchsatzmengen. Bei derartigen Turbinen kann der Laufraddurchmesser absolut und relativ zu den Lagerzapfendurchmessern klein sein, dementsprechend ist auch die mechanische Leistung an der Turbinenwelle klein, während die Drehzahl sehr hoch ist. Mit der Laufradwelle und deren Lagerung ist eine Problematik verbunden, die sich im wesentlichen in die vier folgenden Teilprobleme aufgliedern läßt: die eigentliche Lagerschmierung, die Trennung des Turbinengases vom Lagerschmierstoff, die Dämmung des Wärmeflusses vom warmem zum kalten Wellenende und die Vernichtung der Turbinenleistung.

Der Erfindung liegt der erkenntnisreiche Gedanke zugrunde, daß die bisherigen Vorschläge, -die die einzelnen Probleme mehr oder weniger unabhängig voneinander zu behandeln, zu wirklich befriedigenden Lösungen nicht führen können, sondern

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daß die Sachverhalte naturgemäß miteinander verstrickt sind, deshalb auch zu einer gemeinsamen Aufgabenstellung zu vereinigen sind und einer alles umfassenden, befriedigenden Lösung bedürfen.

Diese Lösung ist bei einer Wellenlagerung der eingangs geschilderten Art dadurch gegeben, daß die läuferseitige Lagerstelle dem Läufer zunächst angeordnet, als Gaslager ausgebildet und mit einem zumindest annähernd die Temperatur des Mediums aufweisenden Gas geschmiert ist, die dem Läufer abgewandte Lagerstelle als ölgeschmiertes Lager und mit einem der Turbinenleistung entsprechenden Laufwiderstand ausgebildet ist und zwischen beiden Lagerstellen Mittel zur Dämmung eines Wärmeflusses und zur Verhinderung eines ölzutritts zur ersten Lagerstelle und damit zum Läufer vorgesehen sind. Diese Lösung ist das Ergebnis eines umfangreichen Gedankenganges, demzufolge bei einer Wellenlagerung mit zwei Lagerstellen diese naturgemäß mit Abstand zueinander angeordnet sind, dieser Abstand bevorzugt geeignet erscheint, als Wärmegefällsstrecke herangezogen zu werden, demzufolge das läuferseitige Lager in einem kältern Bereich als das andere Lager vorzusehen ist, demzufolge das läuferseitige Lager mit einem Gas zu schmieren ist, während das andere Lager mit einem öl geschmiert werden kann, wobei dessen Temperaturbereich so hoch zu wählen ist, daß er dies zuläßt, demzufolge der sich wiederum daraus mögliche Verzicht auf eine Trennung der Medien zwischen dem Tur-

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binenläufer - Läuferleckgas - und dem läuferseitigem Lager, wenn dieses Lager mit einem kalten unschädlichen Gas, z. B. dem kalten Turbinengas geschmiert ist ergibt, demzufolge die enge Heranrückbarkeit des lauferseitigen Lagers an den Läufer ermöglicht und demzufolge in lagerungstechnischer Hinsicht wiederum die Schaffung der Voraussetzungen für die Beherrschung höchster Drehzahlen erzielbar ist. Pur eine Realisierbarkeit des bisher gedanklich Erfaßten ist aber die erkennende Befürchtung notwendig, daß die durch die Reibleistung hervorgerufene Erwärmung eines derartigen Lagers die einerseits zwischen die Lagerstellen verlegte Wärmedämmung und andererseits den zur Kälteleistung erforderlichen hohen Wirkungsgrad des Turbinenläufers durch dessen Erwärmung wieder zunichte machen kann, und durch die Erkenntnis auszuräumen, daß wegen der mit sinkender Temperatur abnehmenden Zähigkeit des Lagergases nur eine wesentlich verringerte Reibleistung und damit eine unbedeutende Erwärmung auftreten können, so daß das tiefkalte Lager tatsächlich in unmittelbarer Läufernähe angeordnet werden kann. Eine lagerungstechnische Verbesserung mit einer größeren Sicherheit, insbesondere gegenüber Belastungsschwankungen, eine nicht unbeachtliche Verbilligung in der Herstellung und im Betrieb und die Möglichkeit zu einer vorteilhaften und beinahe aufwandlosen Leistungsvernichtung sind durch das ölgeschmierte Lager am anderen Wellenende erzielbar. Dabei

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ist die Trennung der Medien in einer gleichzeitig den Wärmefluß dämmenden Weise besonders einfach und wirkungsvoll zwischen den beiden Lagerstellen durchführbar und die Gesaratanordnung ist in besonderem Maße auch für jene bedeutsamen Fälle geeignet, deren Ausführung bislang daran scheiterte, daß die zur Vernichtung übrig bleibende Turbinenleistung geringer ist als die von zwei ölgeschmierten Lagern hervorgerufene Leistungsaufnahme .

Im Falle, daß eine stehende Anordnung einer derartigen Wellenlagerung vorgegeben ist, wird vorgeschlagen, zweckmäßigerweise das gasgeschmierte Lager im oberen und das ölgeschmierte Lager im unteren Teil der Welle anzuordnen, woraus sich u. a. eine Erleichterung bei der Trennung der Schmiermittel voneinander ergibt. Um in vorteilhafter Weise die Anordnung weiterer aufwendigerer die Turbinenleistung abnehmender Mittel zu erübrigen, kann mindestens eine der ölgeschmierten Lagerstellen mit den Laufwiderstand vergrößernden Mitteln versehen sein. Die die Turbinenleistung zumindest teilweise vernichtenden und den Laufwiderstand vergrößernden Mittel können zweckmäßigerweise darin bestehen, daß die Größe und/oder der Abstand zueinander gehörender Laufflächen des oder der ölgeschmierten Lager veränderbar ist oder, daß die Lagertemperatur regulierbar ist, insbesondere dadurch, daß die Temperatur des Drucköles vor dem Eintritt in das Lager regulierbar ist.

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Bei weiteren zweckmäßigen Ausgestaltungen kann mindestens ein mit Druckgas geschmiertes Lager angeordnet und eine Zuführungsleitung für kaltes Druckgas vorgesehen sein. Im besonderen Falle kann eine Entnahme des Druckgases aus der Druck- · gaszuführungsleitung zur Entspannungsturbine erfolgen. Um das zur Lagerschmierung dienende, gegebenenfalls wertvolle Gas nicht zu verlieren, ist es zweckmäßig, eine Ableitung für aus dem Druckgaslager austretendes Druckgas in eine Gasleitung hinter der Entspannungsturbine vorzusehen.

Ferner kann es zweckmäßig sein, daß mindestens ein Teil des aus dem Druckgaslager austretenden Druckgases in einen Raum zwischen den gasgeschmierten und den ölgeschmierten Lagerstellen gelangt und diesen in Richtung gegen die ölgeschmierte Lagerstelle durchströmt. Dabei können vorteilhafterweise in dem Raum zwischen den gasgeschmierten und den ölgeschmierten Lagerstellen Leitvorrichtungen für das austretende Lagergas vorgesehen sein.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wellenlagerung gezeigt.

Figur 1 zeigt die Wellenlagerung bei einer Entspannungsturbine für sehr tiefe Temperaturen. Die Turbinenwelle 1 ist stehend angeordnet. An ihrem oberen Ende ist ein.Turbinenrad 2 fliegend angebracht, um das ein Düsenring 3 für das eintretende Gas gelegt ist. An der Turbinenaustrittsseite befindet sich ein

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Diffusor 4, an den sich eine Abgasleitung 5 anschließt. Der Düsenring 3 und der Diffusor 4 sind in einem Turbinengehäuse 6 untergebracht, in das auch die Gaseintrittsleitung 7 einmündet. In unmittelbarer Nähe des Turbinenrades 2, nur durch eine Axialdichtung 8 voneinander getrennt, befindet sich eine Lagerstelle 9 der Turbinenwelle 1. Diese Lagerstelle 9 ist als gasgeschmiertes Lager ausgebildet, dessen stehenden Teile ebenfalls im Gehäuse 6 untergebracht sind. Dieses Gaslager wird mittels einer von der Gaseintrittsleitung 7 abgezweigten und mit einem Feinfilter 10 versehenen Gasleitung 11 mit Druckgas versorgt, das nach Durchströmen der Lagerstelle 9 durch die Leitung 12 aus dem Gehäuse austreten kann. Am unteren Ende der Turbinenwelle 1 befindet sich eine zweite Lagerstelle 13, die als ölgeschmiertes Radial-Axial-Lager ausgebildet und in einem Gehäuse 14 untergebracht ist. Dieses Lager ist druckölgeschmiert, wobei das Drucköl durch die Leitung 15 und die Kanäle 16 im Gehäuse 14 in das Lager gelangt und das aus dem Lager austretende öl in einem an das Gehäuse 14 angeflanschten ölsammelgefäß 17 aufgefangen wird.

Die druckölgeschmierte Lagerstelle 13 besteht im einzelnen aus einem gegenüber dem Schaft der Turbinenwelle 1 stark abgesetzten Lagerzapfen 131 und einem auf dessen Ende aufgeschraubten Lagerzapfenring 132. Mit einem im Gehäuse 14 gehaltenen Lagerring 133 ist ein Radial- und ein doppelseitiges

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Axiallager gebildet. Um den Lagerzapfenring 1J52 ist ein Ring Υ$Κ angeordnet, welcher mit dem Lager zapfenring 1J52 als Flüssigkeitsbremse wirkt. Die beiderseitigen Laufflächen sind entweder glatt oder sie sind ähnlich der Gleitflächen von dynamisch wirkenden Lagern ausgebildet, so daß eine die Turbinenleistung vernichtende Bremswirkung erzeugt wird. Zur Abführung der Bremsreibungswärme dient dieselbe Flüssigkeit, die auph zur Lagerschmierung verwendet wird. Die Bremsflüssigkeitsmenge entspricht der Flüssigkeits-Ablaufmenge aus der unteren Axiallagerfläche.

Das Turbinengehäuse 6, das die sehr tiefe Temperatur des Turbinengases aufweist, und das Gehäuse 14, das in einem wesentlich wärmeren Bereich, z. B. in einem Bereich, in dem Umgebungstemperatur herrscht angeordnet ist, sind durch.ein längenelastisches Ausgleichsrohr 18 und durch einen Isoliertrichter 19, die beide als Bauteile mit geringer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sind, miteinander verbunden.

In dem Ausgleichsrohr 18 ist zwischen dem kalten Gaslager 9 und dem öllager 1J> noch eine Wellenverkleidung angebracht, welche diese sehr eng umschließt. Dadurch strömt das Leckgas des Gaslagers mit grosser Geschwindigkeit an der Welle entlang nach unten. Es wird außer dem Zurückhalten von öl dunst noch vermieden, daß ölteilchen bei der Rotation der Welle nach oben hin, an der Welle entlang, klettern können. Die Wellenverkleidung ist außen noch mit aufgeschäumten Isolationsmaterial umgeben.

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Um zu verhindern, daß aus der Lagerstelle 13 entweichende ölteilchen oder feinster ölnebel nach oben und damit in die Gaswege im Gehäuse 6 gelangen können, kann ein Teil des aus der Lagerstelle 9 austretenden Lagergases entlang des Schaftes der Welle 1 gegen die Lagerstelle 13 und anschließend in das ölsammelgefäß 17 strömen. Das ölsammelgefäß 17 wird mittels einer an die Gasaustrittsleitung 20 angeschlossenen veränderlichen Drosselstelle (nicht gezeichnet) unter einem Druck gehalten, mit dem die Gasströmung von der Lagerstelle 9 in das ölsammelgefäß 17 und damit die Sperrwirkung regulierbar sind.

Figur 2 zeigt eine im allgemeinen Aufbau der Pig. I ähnliche Anordnung, bei der die Turbinenwelle 21 am oberen Ende ein Turbinenrad 22 und mit diesem verbunden einen Körper 23 aufweist. Dieser Körper 23 ist mit seiner kugelkalottenförmigen Außenfläche in eine dieser Form entsprechende als statisches Gaslager ausgebildete Pfanne eines mit den Eintrittsdüsen versehenen Düsen-Gaslagerringes 24 gebettet. Dieser DUsen-Gaslagerring 24 ist in ein Gehäuse 25 eingesetzt, in das eine Gaseintrittsleitung 26 mündet. Das durch die Gaseintrittsleitung 2.6 zuströmende Druckgas wird in einem Ringkanal 27 auf die Düsen verteilt. Nach arbeitsleistender Entspannung in dem Turbinenrad 22 gelangt das Gas in einen Diffusor 28 und anschließend in eine nicht gezeichnete Abgasleitung. Das Gaslager wird mittels der Kanäle 29, 30, die von dem Ringraum 27 in die Taschen des

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Düsen-Gaslagerringes 24 führen, mit Druckgas versorgt. Die sehr schlank ausgebildete Turbinenwelle 21 führt aus dem sehr kalten Turbinenbereic h in den wesentlich wärmeren Bereich an ihrem unteren Ende, das wesentlich verstärkt und zu einem konischen Lagerzapfen 31 ausgebildet ist. Dieser Lagerzapfen ist in einem Lagerring 32 gelagert, der an der Stirnfläche einer zylinderischen Büchse 33 befestigt ist. Diese zylindrische Büchse 33 kann in der Bohrung 34 eines z. B. mit dem Apparatemantel 35 verbundenen Gehäuseteils 36 in axialer Richtung verschoben werden, so daß das Lagerspiel zwischen dem konischen Lagerzapfen 31 und dem Lagerring 32 und damit der Laufwiderstand veränderlich sind.

Das Turbinengehäuse 25 und der Gehäuseteil 36 sind mittels der Isoliertrichter 37 und 38 miteinander verbunden. Am Gehäuseteil 36 ist ein ölsammelbehälter 38 angeflanscht, an dessen Bodenseite eine Vorrichtung zur axialen Verschiebbarkeit der Zylinderbüchse 33 und damit des Lagerringes 32 angebracht ist. Durch eine Öldruckleitung und Kanäle 40 wird der Lagerring 32 mit Drucköl versorgt.

Pig. 3 zeigt eine ölgeschmierte Lagerstelle für das untere Ende einer stehenden Turbinenwelle 4l, das ähnlich wie in Pig. 1 einen abgesetzten Lagerzapfen 42 und einen aufgeschraubten Lagerzapfenring 43 aufweist. Dabei läuft der Lagerzapfen in einem Lagerring 44, so daß eine radiale und doppelseitig

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axiale Lagerung für die Turbinenwelle 4l gegeben ist. Dieses Lager wird ebenfalls durch einen Kanal 45 mit Drucköl geschmiert. Um den Lagerzapfenring 4} ist eine Lagerbüchse 46 angeordnet, die axial verschiebbar ist, so daß die Größe der zueinander in Beziehung stehenden Laufflächen und damit die Bremswirkung veränderbar ist.

Die axiale Verstellbarkeit der Lagerbüchse 46 ist durch mittels eines Schneckentriebes, von dem nur das Schneckenrad 48 gezeichnet ist, verdrehbare Steine, die auf schrägen Flächen 47 gleiten, gegeben. Damit die schrägen Flächen 47 auf den Steinen aufliegen, ist zwischen den Lagerring 44 und die Lagerbüchse 46 eine Druckfeder 49 eingesetzt. Der Schneckentrieb kann von einer außerhalb des Gehäuses angeordneten, mit einer Anzeige versehenen Einstellvorrichtung 50 von Hand betätigt werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausbildung, bei der eine axial verschiebbare Lagerbüchse 51 mittels pneumatischer oder hydraulischer Mittel um einen Lagerzapfenring 52 in Abhängigkeit von der gewünschten Bremswirkung schiebbar ist. Dabei sind zwischen feststehenden Gehäuseteilen 53 und einem mit der verschiebbaren Lagerbüchse 51 verbundenen Flansch 54 zwei koaxial angeordnete Wellrohre 55 und 56 vorgesehen, die einen Expansionsraum 57 für zwischen die Wellrohre eingespeistes Druckmittel bilden. Durch die Regulierbarkeit des eingespeisten Druckmittels läßt

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Ji

- versieh eine Kraft erzeugen, die mit der Kraft einer Rüekstelldruckfeder 58 in jeder gevrtinschten Lage ins Gleichgewicht zu bringen ist. Damit sind ebenfalls die Größen der miteinander in Kontakt stehenden Flächen der Lagerbüchse 5I und des Lagerzapfenringes 52 und damit die erzeugte Bremswirkung veränderlich.

11 Patentansprüche
4 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanmeldung P 14 25 954.2 LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

   Λ3 ' S 64/91

   11.11.1968 Ulb/kr

   Patentansprüche

   1. Wellenlagerung für die Laufradwelle einer Entspannungsturbine für tiefe Temperatur, wobei die Laufradwelle aus einem am Läufer befindlichen Tieftemperaturbereich in einen we sentlich wärmeren, z. B. annähernd normale Umgebungstemperatur aufweisenden Bereich geführt ist, mit mindestens zwei in axialem Abstand voneinander angeordneten Lagerstellen und mit Mittel zur Vernichtung der Turbinenleistung, dadurch ge kennzeichnet, daß die läuferseitige Lagerstelle (9· 23) dem Läufer (2, 22) zunächst angeordnet, als Gaslager ausgebildet und mit einem zumindest annähernd die Temperatur des Mediums aufweisenden Gas geschmiert ist, die dem Läufer abgewandte Lagerstelle (151, 51, 42) als ölgeschmiertes Lager und mit einem der Turbinenleistung entsprechenden Laufwiderstand aus gebildet ist und zwischen beiden Lagerstellen Mittel (l, 18, 21, 58) zur Dämmung eines Wärmeflusses und zur Verhinderung eines ölzutritts zur ersten Lagerstelle (9, 25) und damit zum Läufer (2, 22) vorgesehen sind.

   ^ Wellenlagerung nach Anspruch 1, in stehender Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß das gasgeschmierte Lager (9, 25)

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   i42by^V LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

   im oberen und das ölgesehniierte Lager (lj31, 31, 42) im unteren Teil der Welle angeordnet sind.

   J5. Wellenlagerung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der ölgesehmierten Lagerlaufflächen veränderbar ist.

   4. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, "daß der Abstand der ölgeschmierten Lagerlaufflächen veränderbar ist.

   5. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine den Laufwiderst and zwischen den ölgeschmierten Lagerlaufflächen beeinflußende Regulierbarkeit der Lagertemperatur.

   6. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die öltemperatur des Drueköles vor dem Eintritt in das ölgeschmierte Lager regulierbar ist.

   7. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gaslager Druckgas zugeführt ist.

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   8. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Gaslager mit aus der Zuführungsleitung (26) zur Entspannungsturbine entnommene Medium geschmiert 1st.

   9. Wellenlagerung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des aus dem Druckgaslager (9# 23) austretenden Druckgases in einen Raum zwischen den gasgeschmierten und den ö!geschmierten Lagerstellen gelangt, und diesen in Richtung gegen die ölgeschmierte Lagerstelle (151, 31, 42) durchströmt.

   10. Wellenlagerung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen den gasgeschmierten und den 51geschmierten Lagerstellen Leitvorrichtungen für das ausgetretene Lagergas vorgesehen sind.

   11. Wellenlagerung nach Anspruch 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Ableitung von aus dem Druckgaslager austretendem Druckgas in eine Gasleitung hinter der Entspannungsturbine.

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