DE1751355A1 - Abdichtvorrichtung mit Leckgasrueckgewinnung fuer Gasentspannungskaelteturbinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdichtungsvorrichtung mit Leckgasrückgewinnung für eine Reaktionsturbine zur Entspannung von Kältemittelgas mit mindestens zwei Abdichtungssystemen zwischen der Kammer des Turbinenlaufrades und einer Kammer unter niedrigem Druck, die durch eine Kammer zum Auffangen und Abführen des Leckgases getrennt sind.

Gasentspannungsreaktionsturbinen, die zentripetal oder axial sind, besitzen nämlich eine Abdichtungseinrichtung, z. B. ein

Unterlagen (Art. 7 § l Abs.7 Nr. (Sat^acJAnderungsfl.a. v. 4. 9.

!967)

Labyrinth zur weitgehenden Verminderung des Auesickerns von Hochdruckgas in die Niederdruckkammern, und zwar entweder die Austrittskammer oder die zwischen dem Turbinenrad und seinen Achslagern angeordnete Kammer. Trotzdem sickert ein gewisser Hochdruckgasanteil durch die Abdichteinrichtung hindurch und vermischt sich mit dem kalten Niederdruckgas. Der so durch die Abdichteinrichtung gesickerte Gasanteil erwärmt sich stark infolge Reibung während seines Durchgangs längs des in rascher Drehung befindlichen Rades. Die Vermischung mit dem entspannten kalten Austrittsgas der Turbine erwärmt dieses ein wenig und mindert damit die thermodynamische Ausbeute der Entspannung in der Turbine.

Diese Leckverluste durch die Abdichtungseinrichtung sind zwar bei großen, hohe GasStrömungsmengen behandelnden Turbinen nicht allzusiehtig, erlangen jedoch relativ bedeutende Werte bei kleinen Turbinen hoher Geschwindigkeit, in denen man beispielsweise die Entspannung von bereits auf sehr tiefe Temperatur abgekühltem Wasserstoff oder Helium durchführt, und sie vermindern damit in sehr beachtlichem Maße den Wirkungsgrad der Entspannung. Wenn man beispielshalber eine kleine Entspannungsturbine von ungefähr 100 m /h, bezogen auf Normalbedingungen an Helium von 20 bar, absolut auf 1,3 bar absolut zugrundelegt, mittels der die Abkühlung des Heliums von 20 K auf 13° K bewirkt wird, so können die Leckverluste 10 -15% der Gesamtströmungsmenge erreichen, und es können sich Temperaturerhöhungen um mehrere Zehnergradeinheiten gegenüber der Temperatur des Austrittsgases in der Größenordnung von 50-60 K einstellen. Sie erwärmen also letzteres in beträchtlichem Maße.

109827/0236

Es ist bekannt bei Gasentspannungskälteturbinen zwei Abdichtungssysteme zwischen der Turbinenradkammer und einer Kammer niedrigeren Druckes vorzusehen, die durch eine Kammer zum Auffangen des Leckgases voneinander getrennt sind. B_ei einer solchen Kälteturbine mit auf gleicher Welle sitzendelT Flüssigkeitsbremse befindet sich eine Auffangkammer für Leckgas zwischen den beiden Abdichtungssystemen, die auf der Welle zwischen Turbinenkammer und Bremskammer angebracht sind. Das Leckgas wird von dort einer Speicherkammer zugeführt, in der während des Betriebes ein Druck zu dem Zweck aufgebaut wird, bei Abschaltung der Turbine eine Diffusion von Schmiermittel aus dem Gehäuse der Flüssigkeitsbremse zur Turbine zu verhindern.

Bei einer anderen Reaktionsturbine mit auf gleicher Welle sitzendem Kompressor ist diese Welle von mehreren Abdichtungssystemen umgeben, zwischen denen sich Kammern zum Auffangen von Leckgas befinden. Das Leckgas wird jedoch unmittelbar in die Turbinenaustrittskammer eingeführt, so daß der vorstehend i geschilderte Nachteil einer Temperaturerhöhung des Austrittegases der Turbine eintreten muß.

Bei einer anderen Einrichtung zur Kühlung von gasförmigen Medien, bei der die Expansionsturbine und ein Turboverdichter wiederum auf derselben Welle angeordnet sind, befindet sich zwischen zwei Labyrinthdichtungen eine Leckgasauffangkammer, die an eine Druckausgleichsleitung angeschlossen ist, welche die beiden Kreisläufe von Expansionsturbine und Turboverdichter miteinander verbindet. Diese Ausgleichsleitung mündet

109827/0236

jedoch wiederum in die Austrittskammer der Turbine ein, so daß das relativ warme Leckgas zu einer Temperaturerhöhung des Turbinenaustrittsgases führen muß.

Die Erfindung hat sich demgegenüber die Aufgabe gestellt, die thermodynamische Ausbeute des von dem in die Entspannungsturbine geschickten Gas durch laufenden Zyklus den theoretischen Wirkungsgrad anzunähern, indem eine Erwärmung des Turbinenaustrittsgases durch das zwischen den Abdichtungssystemen aufgefangene und abgeführte Leckgas verhindert wird, trotzdem aber sein immer noch beträchtlicher Kälteinhalt nicht für den Turbinenkreislauf verlorengeht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Abdichtungsvorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangkammer für Leckg&.s an eine Stelle des Austrittsgasweges der Turbine angeschlossen ist, wo dieses Austrittsgas sich auf einer merklich höheren Temperatur befindet als die in der Austrittskammer herrschende Temperatur. Die Erfindung umfaßt außerdem vorzugsweise folgende Ausführungsmerkmale für sich oder in Kombination:

a. Die Auffangkammer des Leckgases ist an eine Stelle des Austrittsgases der Turbine angeschlossen, wo dieses Austrittsgas sich auf einer praktisch gleichen Temperatur befindet, wie sie in der Auffangkammer herrscht.

b. Die Niederdruckkammer ist die Austrittskammer der Turbine.

1098^7/0236

c. Die Niederdruckkamnier ist die Kammer, die zwischen dem Turbinenrad und ihren Wellenlagern angeordnet ist.

Da der D_ruck in der Auffangkammer durch deren Verbindung mit dem Austrittsgasweg aufrechterhalten wird, der wenig von dem Austrittsdruck abweicht, versteht es sich, daß nahezu die gesamte Leckgasmenge auf ihrem Weg in Richtung zur Austrittskammer durch den Auffangstrom fließt und nur ein sehr kleiner An» teil zur Vermischung mit dem kalten Niederdruckgas über das zweite Dichtungssystem gelangt. Was die Menge des zu der Kammer zwischen dem Turbinenrad und seinen Wellenlagern strömenden Leckgases betrifft, so gestattet seine Auffangung und Abführung eine Verbesserung des thermodynamisehen Wirkungsgrades des gesamten Kreises, den das Gas durchläuft, während der ganze Kältebeitrag durch dessen Erwärmung von der noch relativ niedrigen Temperatur auf die Umgebungstemperatur sonst verlorengehen würde.

Gegebenenfalls kann man, obwohl dies im allgemeinen praktisch f nicht notwendig erscheint, die Hochdruckgasströmungsmenge, die mit Niederdruckgas über die Abdichteinrichtung zur Vermischung gelangt, noch herabsetzen, indem man die Abdichtungseinrichtung in drei Abdichtungssysteme unterteilt, die durch zwei Auf f'angkammern eindeutig voneinander getrennt sind, oder noch allgemeiner, indem n-Abdichtungssysteme, die eindeutig durch (n-l) Auffangkammern voneinander getrennt sind; dabei kann jede Auffangkammer an eine SteLle des Austrxttsgasstromes von einer Temperatur angeschlossen sein, die derjenigen der in dieser Kammer zurückgewonnenen Fraktion entspricht.

1098^7/0236

— ο —

Im Nachstehenden wird in Bezugnahme auf die Zeichnung als bevorzugtes AusfUhrungsbeispiel eine Abdichteinrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, die sich zwischen der Kammer des Rades und einerseits seiner Austrittskammer und andererseits zwischen dem Rad und den Gaslagern der Welle einer zentripetalen Turbine mit geschlossenem Rad für Helium befindet.

Die Entspannungsturbine ist an eine Druckgaszufuhrleitung 1 angeschlossen, die in die ringförmige Einlaßkammer 2 miindet. Diese speist die feste Beschaufelung 3» die den Verteiler bildet* Beim Verlassen tritt das Gas in die bewegliche Beschaufelung k des Turbinenrades 6 ein, das sich in der Radkammer dreht. Das von der Welle 7 getragene Turbinenrad besitzt eine ringförmige Austrittsöffnung 8, die in die Austrittskammer 9 mündet. Der in der Radkammer 5 herrschende Druck ist höher ale die Drücke in der Austrittskammer 9 oder in der Kammer 22, die zwischen dem R_ad und den nicht dargestellten Wellenlagern angeordnet ist. Die Abdichtung zwischen dem beweglichen Rad und dem Turbinenkörper weist zwei Teile zu beiden Seiten des Rades auf, deren jeder in zwei Abdichtungssysteme 12A, 12B und 13A, 13B unterteilt ist, die durch Labyrinthe gebildet sind. Zwischen den Dichtungssystemen 12A und 12B ist eine Auffangkammer 14 angeordnet, in die das Druckgas gelangt, das am Rad entlang durch das Abdichtungssystem 12A durchsickert. Leitungen 1$ und 18 sorgen für den Abzug des Gases aus dieser Kammer zu einem Punkt 19 des Austrittsgasstromes, wo dieser sich auf annähernd derselben Temperatur befindet.

1098^7/0236

Zwischen den Dichtungssystemen I3A und I3B ist eine zweite Auffangkammer 15 angeordnet, in die das Druckgas gelangt, das längs der Welle und durch das Dichtungssystem 13A einsickert. Leitungen 17 und 18 sorgen für die Abführung des Gases aus dieser Kammer zum Punkt 19 des Austrittsstromes auf derselben Temperatur. Es ist zu bemerken, dass das Leckgas, wenn es sibhbeim Zutritt zur Kammer 15 auf einer anderen Temperatur befand als das in die Kammer lh gelangende Leckgas, durch eine getrennte Leitung zu einem anderen Punkt des Gasaustrittsstromes geleitet werden könnte.

Das Austrittsgas der Turbine wird teilweise durch eine auf tiefer Temperatur zu haltende Einrichtung, die schematisch durch einen Wärmeaustauscher 20 angedeutet ist, in Gegenstrom zu einem wärmeren Strömungsmittel und dann weiterhin in Austauscher 21 im Gegenstrom zum Druckgas wieder erwärmt. Nach Zusatz des Leckgases aus Leitung 18 am Punkt 19 wird es dann auf Umgebungstemperatur erwärmt und zur Ansaugseite des nicht dargestellten Kompressors zurückgeleitet, der es von neuem auf den Einlaßdruck der Turbine bringt, worauf es durch Leitung 23 und Austauscher 21 zur Speiseleitung 1 der Turbine zurückgeschickt wird.

Es versteht sich, daß verschiedene Abwandlungen an der Abdichteinrichtung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, vorgenommen werden können, ohne den R_ahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann die Entspannungsturbine axial und nicht zentripetal sein, sie kann auch mehrere Stufen statt nur einer Stufe aufweisen. Der Erwärmungsstrom des Austritts-

1098^7/0236

gases kanxl verschiedeil sein. Das Kreislauf gas k_ann aus einem änderen Gas, z. Ö« Luft, Stickstoff oder Neon, bestehen.

1098^7/0230

Claims (3)

_ 9 Patentansprüche

1. Abdichtungseinrichtung mit Leckgasrückgewinnung für eine Reaktionsturbine zur Entspannung von Kältemittelgas mit mindestens zwei Abdichtungssystemen zwischen der Kammer des Turbinenrades und einer Kammer niedrigeren Druckes, die durch eine Kammer zum Auffangen und Abführen des Leckgases voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangkaramer(Ak₉ 15) für Leckgas an eine Stelle des Austrittsgasweges (19) der Turbine (3 - 6) angeschlossen ist, wo das Austrittsgas sich auf einer merklich höheren Temperatur befindet als die in der Austrittskammer (9) herrschende Temperatur.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangkammer (I**, 15) für Leckgas an eine Stelle des Austrittsgasweges (1O) der Turbine angeschlossen ist, wo das Austrittsgas sich auf einer annähernd gleichen Temperatur befindet, wie sie in der Auffangkammer (14, 15)

herrscht. (|

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruckkammer die Austrittskammer (9) der Turbine oder die zwischen dem Turbinenrad (6) und den Lagern der Turbinenwelle angeordnete Kammer (22) ist.

Nr-iri.,!/ "j .-j«.. Ä.. :■ -:.j-u - ^ ^t967>

109827/0236

Leerseite