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Publication number: DE1551589A1
Application number: DE19671551589
Authority: DE
Priority date: 1967-07-27
Filing date: 1967-06-27
Publication date: 1970-03-19
Also published as: CH472642A

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

I s G7/050

28.6.1967

Kaiteturbine mit Dauermagnet-Generator

Die Erfindung betrifft eine Kälteturbine mit Dauermagnet-Generator zur Vernichtung der Bremsenergie der Turbine.

Bei der Verwendung von Turbinen zur Entspannung von Gasen zum Zwecke der Kälteerzeugung muss die von dem Turbinenrotor geleistete Arbeit abgeführt werden. Dies geschieht bekanntermassen mit Hilfe einer am Ende der Turbinenwelle angebrachten Bremse in Form eines Gebläse-oder ölpumpenrades oder einer Wirbelsjbrojnbremse . Wegen der grossen Temperaturunterschiede zwischen der Kaiteturbine und der warmen Bremse werden dadurch jedoch Wärmesiröme erzeugt, die einen erheblichen Wirkungsgradverlust bei der Kälteerzeugung verursachen.

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ist bekannt, zur Beseitigung dieses Nachteils als Bremse

einen Dauermagnet-Generator zu verwenden und dessen erzeugte Energie nach aussen abzuführen (deutsche Patentschrift "(d^L\ 2¹O-J). Bei dieser bekannten ■ Ausführungsform sitzt der Dauermagnet auf der Turbinenraastirnseite, das durch die vom GaL-.-.ti'om ausgeübten Kriifte getragen wird. Eu hat sich nun gezeigt, da;:s die von dem Gasstrom ausgeübte .^tabili.ilerung ios Turbinenradeo bei den heute üblichen Drehzahlen von bis zu I50 Oüü U/rnin. nicht ausreicht, da uas Turbinenrad sich rr.it dem an Ihm befestigten Dauermagneten bei diesen Drehzahlen und fliegender Lagerung von der Rotationsachse entfernt. Die dadurch erforderlichen grossen Konstruktionsspalten zv/ischen Rad und Gehäusev;andung und Dauermagnet und Ständer· sind jedoch unerwünscht. Insbesondere aber wird durch diese Bauweise.bei hohen Drehzahlen die Materialfestigkeit überschritten. .

Die Erfindung vermeidet diesen Nachteil dadurch, dass die Dauermagnete innerhalb der V.'elle eines oder mehrerer Generatorrotoren angeordnet sind, die einen Teil der Turbinenwelle bildet, welche in gasgeschmierten Radial- und Axiallagern geführt ist. Durch diese Bauweise werden die auf die Turbinenwel le ausgeübten Zentrifugalkräfte auf ein Mindestmass beschränkt, weil die Dauermagnete mit der Turbinenwelle eine Einheit bil,-den und nicht über die Wellenoberfläche hinausragen. Das Turbinenrad wird exakt in den gasgeschmierten Radial- und Axiallagern

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geführt, vjoboi ua:· La_;-er,;as in einfacher V.'eise dom Vor;'lü::sigungsl.reis der KHlteturbinc entnommen und unter Druck oder drucklos den Lagern zugeführt werden kann.

Genuine einer vorteilhaften Ausgestaltung des Krfindungsgegenstandes werden die Dauermagnet? ringförmig ausgebildet und in der Turbinenv.elle von einer Kapsel aus paramagrietischem Werkstoff umgeben. Die stirnseitigen Enden dieser Kapsel rind zweckmässigerweise durch einen in der Längsachse der Welle liegenden Steg verbunden, der ebenfalls aus paramagnetischem Material besteht. Die Radial- und Axiallager, sowie der Turbinenrotor sitzen auf Lagerzapfen aus Stahl, die an den Kapselenden befestigt sind. Die Dauermagnete können vorteilhafterweise in diametraler Richtung magnetisiert sein, beispielsweise bei einemkweipoligen Dauermagnetring, oder z. B. bei einem vierpoligen Dauermagnetring seitlich über den Umfang magnetisiert sein.

Die erfindungsgemässe Verwendung von Dauermagneten innerhalb der Turbinenwelle und die erfindungsgemässe Wellenlagerung ermöglichen verschiedene Anordnungen des Turbinenrades und der Generatoren. So kann beispielsweise das Turbinenrad fliegend gelagert werden, w'ährend sich der Generatorrotor zwischen den Radial- und Axiallagern befindet. Es kann aber auch zwischen den Lagern angeordnet sein, wobei dann an den Enden der Turbinenwelle je ein Generatorrotor fliegend oefestigt ist. Diese Bauweise ermöglicht auch die Anordnung mehrerer Turbinenräder hintereinander auf einer gemeinsamen Welle.

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Turbine und Generator lasten sich in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Gehäuse anordnen, das gasdicht verschlossen und wärmeisoliert ist. Die im Generator gewonnene elektrische Energie kann in diesem Fall durch die Gehäusewandung nach aussen"~äbgeführt und beispielsweise in. regelbaren Ohmschen Widerständen vernichtet werden.

Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform lassen sich mehrere Generatoren miteinander gekoppelt in ein gemeinsames Rohr einsetzen, aus dessem einen Ende das Turbinenrad herausragt. In diesem Fall kann die Koppelung der Generatoren berührungsfrei über Dauermagnetkupplungen erfolgen.

Die ScMldefür^j^J^ial- ^und Axiallager sind zweckmässigerweise verstellbar, v.'as durch mit dem Gehäuse und den Schilden in Berührung stehende Druckschrauben erreicht werden kann.

Die Radial- und Axiallager können, gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes, in federnden Ringen aufgehängt sein, die eine Selbsteinstellung der Lager bewirken und eine Dämpfung bei Rotor- und/oder Lagerschwingungen ausüben. Es ist aber auch möglich, nur die Radiallager federnd aufzuhängen und die Axiallager starr im Gehäuse zu befestigen, wobei jedes Radiallager mit mindestens drei Gleitkufen versehen ist. ,

V/eitere Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Zusammen-

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hang mit der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemässen Kälteturbine

mit Dauermagnet-Generator,
Fig. 2 einen Teilschnitt durch den mit Dauermagneten versehenen

Generatorrotor,
Fig. ί einen Teilschnitt durch eine andere AusL'ührungsi or;n de.-:

mit Dauermagneten versehenen Generatorrotors, Fig. 4 einen Längsschnitt durch mehrere in einem gemeinsamen Rohr hintereinander angeordnete Generatoren,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine mehrstufige Turbinenanordnung mit beidseitigen Generatoren, Fig. 6 einen Teilschnitt einer druckgasgeschmierten Lagerung mit nicht nachstellbaren Lagerschilden,

Fig. 7 einen Teilschnitt einer federnden Lagerung ohne Lagerschmierung,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Detail der in Fig. 7 gezeigten Lagerung.

Das in Fig. 1 dargestellte Aggregat aus Kälteturbine 2 und Generator 10 sitzt auf einer gemeinsamen Welle 5 und ist gewöhnlich in einer Kälte-Isolationskammer angeordnet _s aus der Leitungen 17 zur Abgabe der elektrischen Energie des Generators herausführen und ausserhalb mit einem Verbraucher , beispielweise einem regelbaren Ohmschen Widerstand verbunden sind« Das gesgünte Turbinenaggregat einschliessllch des Generators ist somit

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gasdicht abgekapselt, wobei die Kapsel auch evakuiert werden kann. Die Vernichtung der Turbinenleistunc erfolgt, abgesehen von den Wirbelstrom- und Umrcagnetisierungsverlusten, vollständig ausserhalb ^:er Kapsel, -wodurch der thermodynamische V.'irkungsgrad aer Turbine durch V; arme trän ε port nur /j ed. nc ί¹ ^iU Γ beeinflusst wird. Die zwischen den gasgeschmierten Gleitlagern ' in der Turbinenv.'elle r- befindlichen Dauermagnete 1 sind ringförmig und werden von dem Ständerblechpaket Ic mit den Induktionsv:icklungen 19 unischlossen. Die Leistung der Turbine beträgt bei 1^0 000 U/min ο tv:a 1 000 V'att, ν,-obei dann an den Klemmen des Generators 10 ein frequenter V.'echselstrom von 2-jOO Ks abgenommen v/erden kann.

Die Turbine entspannt kaltes Gas mit Temperaturen von ca. - 2^;+0 C, das durch den 'itutzen 1. eintritt und die Turbine durch die Düse 19 -verlässt,. Das Turbinenrad. 2 und der . Dauermagnetring 1 des Generators 10 sind auf der Welle 5 fest miteinander verbunden. Durch Schmierung der Gleitlager 5, die als Radial- und Axiallager ausgebildet sind, mit kaltem Gas, das die entstehende Reibungswärme abführt^ werden Turbine und Generator auf der gewünschten tiefen Temperatur gehalten«

In Fig. 2 ist die Turbinenwelle 5 im Bereich des Generators 10 dargestellt* die hier den Rotor 4 des Generators bildet. Als Dauermagnete sind zv;ei Magnetringe 1 hintereinander angeordnet, die v/egen der im Vergleich zu weichräagnetischen Legierungen höheren Koerzitiv·-Feldstärken aus hartmagnetischen Werkstoffen gefertigt sind,, Die Magnet ringe'können quermagnetislert oder auch

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beispielsweise bei einer vier-poligen Ausführung in Längsrichtung über den Umfang magnetisiert sein. Zur Vermeidung des magnetische! Kurzschlusses sind die Ririgmagnete von einer Kapsel 7 aus paramagnetischem Material umgeben, deren stirnseitige Enden durch einen zur Zentrierung dienenden, paramagnetischen Längscteg 9 verbunden sind· Das paramagnetische Material ist auf das Hartmagnetmaterial aufgelötet und trägt einerseits an den äusseren stirnseitigen Enden befestigte Lagerzapfen ο aus Stahl, auf denen die gasgeschmierten Gleitlager ^ sowie das Turbinenrad 2 Hitzen. Die La-gerzapfen bestehen zur Einhaltung des geringen zugelassenen Lagerspiels aus Stahl mit 36 £ Ni, 64 ;ό Fe. Sämtliche Stirnflächen dieser Teile sind durch Hochfrequenz-tung mit-einander verbunden, so dass der Rotor eine Baueinheit darstellt, die den bei den hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräften widersteht.

Ein wesentlicher der erfindungsgemässen Konstruktion zugrunde liegender Gesichtspunkt ist der der Materialbeanspruchungen, die sich aus den hohen Turbinendrehzahlen ergeben. Auf Grund dieser Beanspruchungen versagen auch die bekannten Dauermagnet -Kai te turbinen, bei denen der Dauermagnet als Kreisring mit dem Umfang des Turbinenrades in Verbindung steht. Die erfindungsgemäss in die Turbinenwelle gesetzten Dauermagnete sind wegen ihres relativ kleinen Durchmessers nicht so grossen Tangentialspannungen ausgesetzt, wie die bekannten Vorrichtungen, so dass bei Vergleichs./eise gleichen Materialeigenschaften erheblich höhere Turbinendrehzahlen gefahren werden können.

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Bei der in Fig. j5 dargestellten Ausführungsform des Generatorrotors sind die Dauermagnetringe 1 derart von paramagnetischem Werkstoff umgeben, dass sämtliche Rotorteile mittels Elektronenstrahl -Schweissung zu einer Einheit verbunden werden können. Durch diese Bauweise wird eine noch höhere Festigkeit erreicht, die noch grössere Drehzahlen ermöglicht. Demgegenüber tritt der Nachteil des vergrösserten Luftspaltes durch die paramagnetische Kapselung, der bei dieser Konstruktion vorhanden ist, in den Hintergrund.

Um noch höhere Tarbinendrehzahlen zu erreichen, ohne die Festigkeitsgrenzen des gewählten Dauermagnetmaterials zu überschreiten, muss der Aassendurchmesser der Magnetringe vielter verringert werden. In diesem Fall kann die Leistung der Entspannungsturbine auf mehrere Dauermagnet-Generatoren verteilt werden, die zu diesem Zweck auf einer gemeinsamen welle hintereinander geschaltet sind. Eine solche Anordnung zeigt Fig. k .

Dabei sind die Generatoren 10 in ein gemeinsames Rohr 11 eingesetzt, und ihre Rotoren stehen durch eine Dauermagnetkupplung 12 berührungsfrei miteinander in Verbindung. Für diese magnetische Verbindung eignen sich beispielsweise mehrpolige Dauermagnete. Die Rotoren sind in gasgeschmierten Gleitlagern gelagert, deren Werkstoffe so gewählt sind, dass die Laufspiele der Gaslager bei den auftretenden Temperaturschwankungen in bestimmten Grenzen gehalten werden können.

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Für Kälteprozesse mit mehrstufiger Entspannung können mehrere Turbinenräder 2 auf eine gemeinsame Welle 5 angeordnet werden, wie dies Pig« 5 zeigt. In diesem Fall wird zweckmässigerweise jedes Wellenende mit einem Generator 10 versehen.

Die bei der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion verwendeten Lagerschilde 13 sind elastisch und lassen sich mit Hilfe der Druck^chra.uben_jL5--.-.nachrichten und gegeneinander? ausrichten. Die Lagerkonstruktion hat den Vorteil, dass sie keine zu grossen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Lagerungsteile stellt. Durch geeignete Anordnung der Radial« und Axiallager in den Lagerschilden können bei hochtourigem Betrieb möglicherweise auftretende Schwingungen gedämpft werden. Um in den Fällen, in denen die Lagerschilde ni*t nachstellbar sind, eine Schwingungsdämpfung und eine Selbsteinstellung der druckgasjgeschjniejifcen Lager zu erreichen,: können, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, die Radial - und Axiallager 3 in elastischen Ringen 16 aufgehängt werden. Eine weitere konstruktive Möglichkeit für die Ausbildung derRadial- und Axiallager zeigen die Figuren 7 und 8. Bei dieser dynamisch wirken den' Lagerung, bei der zur Schmierung kein Druckgas erforderlich ist, wird die Turbinenwelle 5 im Radiallager von wenigstens drei um den Wellenumfang gleichmässig verteilt angeordneten

Gleitschuhen 17 getragen, von denen zwei allseitig kippbar

und der dritte federbelastet aufgehängt ist. Die Axiallager Jb sind in diesem Pail starr im Gehäuse befestigt. Diese dynamisd wirkenden Gleitschuhe ermöglichen ebenfalls eine Selbsteinstellung des Lagers. ^; ~ " "'"' ' ^: "" ;—~—,- ' ^:-- -.■■-.. ...

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Claims

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'""" Patentansprüche

1/ Kälteturbine mit Dauermagnet-Generator zur Vernichtung eier ' Bremsenergie der Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (l) innerhalb der Welle eines oder mehrerer Generatorrotoren (ή) angeordnet sind, die einen Teil der Turbinenwelle (5) bildet, welche in gasgeschmierten Radial- und Axiallagern (3) geführt ist.
2. Kaiteturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, dass die Dauermagnete (l) ringförmig sind.
3· Kälteturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (l) von einer Kapsel (7) aus paramagnetischem v.'erkstoff umgeben sind.
4. Kaiteturbine nach Anspruch 3 j dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Enden (6) der Kapsel (7) durch einen in der Längsachse der Welle (5) liegenden Zentriersteg (9) aus paramagnetischem Material verbunden sind.
5. KSlteturbine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

. dass an den stirnseitigen Enden (6) der Kapsel (7) Lagerzapfen (8) aus Stahl befestigt sind.

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6. Kaileturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (l) quermagnetisiert sind.
7. Kältei^urbine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (l) seitlich über den Umfang magnetisiert sind.
ι . Kälteturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden Enden der Turbinenwelle (5) je ein Generators tcr (-·) sitzt, und sich zwischen den beiden Generatorrotoren auf der Turbinenwelle eine mehrstufige Tufcine (2) befindet.
9. Kälteturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das

Turbinenrad (2) am Ende der Turbinenwelle (5) und der Genera-

Lorrotor (4) zwischen den Radial- und A;:iallagern (>) gelagert sind.
10. Kälteturbine nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Generatoren (10) miteinander gekoppelt und in ein gemeinsames Rohr (11) eingesetzt sind.
11. Kälteturbine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Genera, toren (10) über Dauermagnetkupplungen (12) berührungsfrei in kraftschlüssiger Verbindung stehen.

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12. Kälteturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Lagerschilde (13) der Radial- und Axiallager (3) verstellbar sind.
13· Kälteturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung der Lagerschilde (13) mit dem Gehäuse (l4) und den Schilden (13) in Berührung stehende Druckschrauben (15) vorhanden sind.
1'-. Kälteturbine nach Anspruch 12 oder I3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radial- und Axiallager (3) in federnden Ringen (ΐβ) aufgehängt sind.
15· Kälteturbine nach Anspruch 12 oder I3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallager (3a) federnd aufgehängt sind und die Axiallager (3b) starr im Lagerschild (13) befestigt sind.
16. Kaiteturbine nach Anspruch I5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Radiallager (3a) mindestens drei gleichmässig um den Umfang der Turbinenwelle (5) verteilte und die Turbinenwelle (5) tragende Gleitschuhe (17) aufweist, von denen zwei kippbeweglich und einer federnd gelagert sind.

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17· Kälteturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, daduch gekennzeichnet, dass die Turbine (2) und der Generator (1O) in einem gemeinsamen gasdicht verschlossenen,,wärmeisolierten Gehäuse angeordnet sind_e

l8. Kälteturbine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Generator (10) erzeige elektrische Energie aus dem gasdicht verschlossenen Gehäuse herausleitbar ist«,

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