DE2042669A1

DE2042669A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehmomentbelastung an einer Welle

Info

Publication number: DE2042669A1
Application number: DE19702042669
Authority: DE
Inventors: Clarence J Wescosville Pa Hornbeck (V St A )
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1970-08-28
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1318373A; US3656583A; NL7012734A; CH522837A

Description

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Dr.-Ing. V/ili-.ciii Keichel DipJ-lng. Wc^;. eng ßeichel

6 Frankiuri a. M. 1
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AIR PRODUCTS AND CHEMICALS, INC., Philadelphia,Pennsylvania,VStA

Verfahren und Vorrichtlang zur Erzeugung einer Drehmomentbelastung an einer Welle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehmomentbelastung an einer sich drehenden Welle mit Hilfe eines viskosen Strömungsmittels. Die Erfindung ist insbesondere direkt anwendbar bei Wellen in Turbinen, die dazu verwendet werden,Gase durch Expansion zu kühlen.

Eine Turbine, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung anwendbar ist, ist beispielsweise in der US-Patentschrift 2 941 dargestellt, wobei diese Turbine Gas durch Expansion kühlt. Das zugeführte Gas gelangt von einem Kompressor zu der Turbine, in der es ausgedehnt werden soll, wobei die Ausdehnung zu einer Kühlung des Gases führt. Die Wärme wird dadurch aus dem Gas herausgezogen, daß das strömende Gas eine Arbeit an dem Turbinenrad verrichtet. Die Arbeit wird dadurch verrichtet, indem das Gas gegenüber einer, an der Welle vorgesehenen Belastung arbeitet. Das oben erwähnte Patent enthält ein Verfahren zur Belastung der Turbinenwelle, bei dem ein großer Bremskörper auf der Welle angeordnet ist. Der Bremskörper dreht sich in einem viskosen Strömungsmittel und er ist auch mit einem BerUhrungsbremsring versehen, um die Belastung der Welle zu erhöhen.

Ändert Belastungen können dadurch hervorgerufen werden, daß die Welle dazu verwendet wird» eine Kühlpumpe, einen elektri-

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sehen Generator oder eine ähnliche Vorrichtung zu betreiben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden viele der Schwierigkeiten überwunden, die bei mit Schaufeln versehenen Pumpen oder anderen Belastungseinrichtungen auftreten, dadurch daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung keine Teile aufweist, die sich abnutzen. Eine Veränderung der Belastung ist einfach und der einstellbare Bereich liegt nahe der theoretischen Grenze.

Es besteht nicht die Gefahr der Beschädigung durch Kavitation, da in der Pumpe keine Schaufeln vorhanden sind. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich einfach herstellen und die sichere Arbeitsdrehzahl läßt sich in einfacher Weise vorausbestimmen.

Gemäß der Erfindung wird ein Strom von viskosem Strömungsmittel in einen napfförmigen Aufnahmebehälter eingeleitet, der an einem Ende der sich drehenden Welle vorgesehen ist. Der Aufnahmebehälter wird nur an seinen Innenflächen durch das viskose Strömungsmittel benetzt und dreht sich in einer Umgebung aus Gas, Dadurch werden ungesteuerte Verluste vermindert. Durch die Drehung der Welle breitet sich das viskose Strömungsmittel längs der Innenfläche des Aufnahmebehälters aus und wird von dieser Innenfläche mit einer erhöhten kinetischen Energie weggeschleudert. Eine Erhöhung der kinetischen Energie des viskosen Strömungsmittels führt zu einer Belastung der Welle. Die Belastung kann dadurch verändert werden, daß der Strom des viskosen Strömungsmittels, der auf dem Boden des Aufnahmebehälters auftritt, eingestellt wird. Die Viskosität des Strömungsmittels wirkt sich bei der Erhöhung der Drehgeschwindigkeit aus und hat folglich einen Einfluß auf die kinetische Energie des Strömungsmittels, bevor es von dem Aufnahmebehälter abgegeben wird. Das vis kose Strömungsmittel kann durch eine geeignete Kühlvorrichtung und eine Pumpe zurückgeführt werden, so daß man ein geschlosse nes System erhält.

Es ist demgemäß Hauptziel der Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine Drehmomentbelastung auf einer eich dre henden Welle erreicht werden kann.

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Gemäß der Erfindung wird eine Belastung einer sich drehenden Welle dadurch erreicht, daß die kinetische Energie eines viskosen Strömungsmittels erhöht wird.

Gemäß der Erfindung wird eine Belastung einer sich drehenden Welle ferner dadurch erreicht, daß ein Strom eines viskosen Strömungsmittels gegen einen Aufnahmebehälter strömt, der auf der sich drehenden Welle angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Belastung auf einer Welle einer Turbine vorgesehen, die dazu verwendet wird, Gas durch Expansion zu verflüssigen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Expansionsturbine und

Fig. 2 ein Diagramm des Belastungsfaktors in Abhängigkeit von dem Rutschfaktor bei Vorrichtungen gemäß der ä Erfindung.

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In Fig. 1 ist eine Expansionsturbine 10 dargestellt, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist. Die Expansionsturbine weist ein Gehäuse 11 auf, in welchem eine Welle 12 befestigt ist; die Welle 12 ist durch Lager

14 und 16 gelagert, und an den Lagern 14 und 16 ist eine Vorrichtung 18 vorgesehen, die den Lagern ein Schmierungsmittel ständig zuführt. An einem Ende der Welle 12 ist ein Turbinenrad 20 befestigt. Das Turbinenrad 20 weist mehrere Schaufeln auf, die einen Gasstrom aufnehmen, der an der iLinlaßstelle durch einen Pfeil 22 und an der Auslaßstelle durch einen Pfeil 2·'- dargestellt ist. Es ist ein zweites Gehäuse ort er eine Abdeckung 26 vorgesehen, welche den Einlaß 28 uxA den Auslai? 30 für das Gas bestimmt. Der Einlaß 28 ist mit mt ^eren feststehenden Schaufeln (nicht dargestellt) versehen, durch welche der Gasstrom derart gelenkt wird, daß eine Drehung des Turbinenrads 20 erleichtert wird. Das Turbinenrad 20 ist mit Hilfe eines Bolzens 32 mit der Welle 12 verbunden, der sich in einer länglichen Bohrung in der Welle 12 befindet.

Der Gasdurchlaß 28 ist von dem Lager 14 und der Innenkammer

15 des Gehäuses 11 durch eine Labyrinthdichtung 34 isoliert. Derartige Dichtungen sind dem Fachmann für solche Turbinen bekannt, die dazu verwendet werden Gase durch Expansion zu verflüssigen.

Am Ende der Welle 12 gegenüber dem Turbinenrad 20 ist ein Aufnahmebehälter 36 vorgesehen. Der Aufnahmebehälter 36 hat eine Innenfläche 38, deren Form, wenn man sie im Querschnitt sieht, einer Parabel ähnelt. Die.Steigung der Fläche 38 kann auf irgendeinen gewünschten Wert eingestellt sein, solange der viskose Strömungsmittelstrom, wie es weiter unten noch näher beschrieben ist, ohne hydraulische Instabilitäten strömt, Es hat sich herausgestellt, daß eine Steigung von 3 zu 1 an der Innenfläche der Aufnahmebehälteröffnung zufriedenstellend ist. Der Boden des Aufnahmebehälters 36 ist mit einem Ver-

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schlußteil 40 versehen, welches das Ende des Bolzens 12 bedeckt; dieses Teil ist deshalb vorgesehen, damit eine glatte Oberfläche für das auftreffende viskose Strömungsmittel entsteht. Um den Aufnahmebehälter 36 herum befindet sich ein zweites Gehäuse 42, welches dieses Ende der Expansionsturbine einschließt. Das Gehäuse 42 wirkt als ein Schmierströmungsmittelbehälter und es weist ein Auslaßrohr 44 auf, welches das viskose Strömungsmittel und eine kleine Menge von Schmieröl mit irgendeinem gelösten Gas sammelt, damit diese voneinander getrennt werden und eine Zurückführung des Schmierströmungsmittels erfolgt. In dem Gehäuse 42 befindet sich ein Zylinder 46, der einen Strom von viskosem Strömungsmittel gegen den Boden (Verschlußteil 40) des Behälters 36 richtet. Der Zylinder 46 weist eine Düse 48 auf, die vorzugsweise ausgetauscht werden kann, damit verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten für das viskose Strömungsmittel erreicht werden können. Der Zylinder 46 ±st übe; das Gehäuse 42 und Leitungen 54,56 mit einer Pumpe 58 für d, . Ίε : strömungsmittel verbunden. Zwischen der Pumpe 58 für das -ömungsmittel und dem Gehäuse 42 ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die als Absperrorgan 60 dargestellt ist. Die Pumpe für das Strömungsmittel kann eine gewöhnliche Schmiermittelpumpe sein. Der viskose Strömungsmittelstrom, der mit 50 bezeichnet ist, kann ein Schmieröl sein, welches demjenigen ähnlich ist, welches zur Schmierung der Lager 14 und 16 verwendet wird.

Bei Betrieb wird ein Gas, welches gekühlt werden soll, beispielsweise Helium, von einem äußeren Kompressor dem Turbinenrad 20 über den Einlaß 28 in Richtung des Pfeiles 22 zugeführt. Das Gas strömt an den Schaufeln des Rads 20 und von dem Rad 20 nach außen in einen größeren Durchlaß 30 in Richtung des Pfeils 24. Auf diese Weise wird das Gas durch das Turbinenrad ausgedehnt, d.h. das Gas tritt in die Turbine mit hohem Druck und bei hoher Temperatur ein und verläßt sie mit niedrigerem Druck und niedriger Temperatur. Durch den

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Gasstrom wird das Turbinenrad gedreht, wodurch sich wiederum die Welle 12 und der Aufnahmebehälter 36 drehen. Damit dem Gas Wärme entzogen wird, muß die Welle 12 Arbeit verrichten, und deshalb wird dann, wenn sich die Welle dreht, das viskose Strömungsmittel 50 gegen den Boden 40 des Aufnahmebehälters 36 geschleudert. Die Drehung des Aufnahmebehälters 36 verursacht, daß sich das viskose Strömungsmittel 50 an den Wänden des Aufnahmebehälters ausbreitet und auch aus diesem heraus gegen die Innenfläche 52 des Gehäuses 42 strömt. Da das Strömungsmittel viskos ist, kann es nahezu auf die Umlaufgeschwindigkeit des Aufnahmebehälters 36 gebracht werden. Dadurch wird die kinetische Energie des Strömungsmittels erhöht und folglich wird dadurch Leistung aufgenommen oder es wird eine Belastung der Welle hervorgerufen, entgegen der das strömende Gas eine Arbeit verrichtet. Auf diese Weise kann Wärme aus dem einströmenden Gas entnommen werden, wodurch sich die Temperatur des einströmenden Gases vermindert. Die Vorrichtung eignet sich natürlich ideal zur Verflüssigung eines Gases, beispielsweise von Helium.

Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß sich die Temperatur und der Druck des Gases, welches in die Turbine durch den Einlaß 28 eintritt, verändern, so daß das Drehmoment auf der Welle veränderlich sein sollte, damit eine größtmögliche Wärmemenge von dem einströmenden Gas entzogen wird. Das Drehmoment kann dadurch verändert werden, daß der Strom des viskosen Strömungsmittels 50 verändert wird, indem das Absperrorgan 60 zwischen dem Zylinder 46 und der Pumpe 58 betätigt wird. Der Durchmesser des ölstrahls 48 kann, wenn es erwünscht ist, verändert werden, ohne daß die Arbeitsweise des Aufnahmebehälters sich ändert.

In Fig. 2 ist ein halblogarithmisches Diagramm des Belastungsfaktors in Abhängigkeit von dem Rutschfaktor für zwei Expansionsturbinen gemäß der Erfindung dargestellt. Das zu geführte viskose Strömungsmittel 50 wurde auf konstante

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Temperatur und bei konstanter Viskosität gehalten. Der Rutschfaktor ist das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeit der Masse des viskosen Strömungsmittels zu der tangentialen Geschwindigkeit des Behälters am Behälterausgang, wie es sich durch die gemessene aufgenommene Leistung und die Strömungsgeschwindigkeit an der Düse (48) berechnen läßt. Der Belastungsfaktor ist abhängig von dem reziproken Wert des Quadrats der Umdrehungen pro Minute (Upm) der Welle. Nach Fig. 2 ist es offensichtlich, daß bei einem Rutschfaktor von 0,9 die Masse des viskosen Strömungsmittels bis auf 90% der Spitzengeschwindigkeit des Aufnahmebehälters gebracht wird, was für derartige Vorrichtungen etwa normal ist. Dies ist ™ etwa ein ebenso guter. Rutschfaktor, wie man ihn gewöhnlic mit gut durchkonstruierten Zentrifugalkompressoren erhält, die mit radialen Schaufeln versehene Räder aufweisen. Dementsprechend ist dies ein richtiges Maß für den Wirkungsgrad der Vorrichtung gemäß der Erfindung und es zeigt, daß diese Vorrichtung außergewöhnlich ausgeführt ist. Es ergibt sich daraus auch, daß die erzeugte Leistung nahe der theoretischen Grenze liegt.

Als bevorzugtes viskoses Strömungsmittel, welches für die Vorrichtung verwendet wird, dient Schmieröl, welches auch zum Schmieren der Lager 14 und 16 verwendet wird. Bei der Verwen- J dung des Schmieröls als viskoses Strömungsmittel 50 vereinfacht sich die Expansionsturbine dahingehend, daß nur ein Umlaufsystem für das öl erforderlich ist. Es können Jedoch andere viskose Strömungsmittel bei anderen Anwendungen verwendet werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich ideal für kleine Systeme, bei denen die Leistung, die durch das arbeitende Turbinenrad erzeugt wird, ohne ökonomischen Verlust verloren gehen kann. Das System stellt eine beträchtliche Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen dar, weil die Dynamik des Rotors nicht durch das Einführen einer zusätz-

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lichen radialen Zwangsbewegung schädlich beeinflußt oder zerstört wird, wie es sich ergibt, wenn Achslager oder ähnliche Lager verwendet werden, die dadurch arbeiten, daß ein viskoses Strömungsmittel an einer festen Fläche abgeschert wird. Ein solches System weist eine vernachlässigbare nicht einstellbare Leistungsaufnahme auf.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann maschinell ohne weiteres hergestellt werden. Die Vorrichtung kann sehr leicht mit Hilfe einer bahngesteuerten Drehbank maschinell hergestellt werden.

Es ist möglich, eine sichere Arbeitsdrehzahl für diese Vorrichtung vorauszubest Immen und dieser Wert kann vorläufig dadurch L -timmt werden, daß man die Härte der Welle überprüft, welche eine Anzeige für ihre Festigkeit ist.

Ein Ermüdungsbruch des Aufnahmebehälters ist, wie man annehmen kann, unwahrscheinlich, da das viskose Strömungsmittel (Öl) irgendwelche Schwingungen des Aufnahmebehälters dämpft. Bei einer Prüfung ergaben sich sowohl kein Tönen ("Läuten wie eine Glocke") oder Müdigkeitsrisse des Aufnahmebehälters, wodurch bestätigt ist, daß Ermüdungsbrüche stark vermindert sind.

Untersuchungen haben auch gezeigt, daß die Geräuschentwicklung des Aufnahmebehälters geringer ist als die der Expansionsturbine und daß der Aufnahmebehälter gegenüber dem Schmiermittelpunrpmotor nicht hörbar war.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehmomentbelastung an einer sich drehenden Welle,

dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Aufnahmebehälter (36) auf der Welle (12) befindet, der auseinandergehende Wände aufweist, die sich von der Welle weggerichtet mit kreisförmigem Querschnitt öffnen, daß der Aufnahmebehälter (36) mit der Welle drehbar ist und einen Strom eines viskosen Strömungsmittels (50) aufnehmen kann, der am Scheitelpunkt des Aufnahmebehälters auftrifft, wobei das viskose Strömungsmittel durch Drehung der Welle (12) aus dem Aufnahmebehälter wieder ausgestoßen wird und daß eine Vorrichtung (60 bzw. 48) vorgesehen ist, durch die die Strömungsgeschwindigkeit des viskosen Strömungsmittels verändert werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl des viskosen Strömungsmittels von einer Vorrichtung erzeugt wird, die eine Düse (48) und eine Pumpe (58) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des viskosen Strömungsmittels durch ein Absperrorgan (60) zwischen der Pumpe (58) und der Düse (48) verändert wird.

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4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche

mit einer Turbine zur Abkühlung eines Gases durch Expansion, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem einen Ende der Welle (12) verbundener Rotor (20) in einem Gehäuse (26) angeordnet ist, daß die Welle in Lagern (14,16) gehaltert ist, daß eine Schmiervorrichtung (18) die Lager schmiert, daß eine Dichtung (34) zwischen dem Rotor und den Lagern vorgesehen ist und daß an dem dem Rotor (20) entgegengesetzten Ende der Welle (12) eine sich mit der Welle drehende Vorrichtung (36) vorgesehen ist, die den Strom des viskosen Strömungsmittels aufnimmt, der auf der Aufnahmevorrichtung auftrifft, während sich die Welle dreht, so daß die Welle der Turbine belastet wird, indem das viskose Strömungsmittel auf eine Drehgeschwindigkeit gebracht wird, bei der es das Ende der Welle mit vergrößerter kinetischer Energie verläßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung der Turbine ein Aufnahmebehälter ist, dessen Längsschnitt parabolisch ist und der an einem Ende der Welle befestigt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwand am Rand eine Steigung von 3 zu 1 aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Strömungsmittel durch eine einstellbare Düse auf der Innenfläche des Aufnahmebehälters auftrifft, die mit der Pumpe verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das viekose Strömungsmittel ein Schmieröl ist.

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9. Verfahren zur Herstellung einer Drehmomentbelastung an einer sich drehenden Welle nach einem der Ansprüche 4 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnahmebehälter auf einer Welle zur Aufnahme eines Stroms von viskosem Strömungsmittel vorgesehen wird, daß die Welle gedreht wird, daß ein Strom von viskosem Strömungsmittel derart dem Aufnahmebehälter zugeführt wird, so daß das viskose Strömungsmittel sich längs der Wände des Aufnahmebehälters nach außen hin ausbreitet, und daß die Strömungsgeschwindigkeit des Stroms derart eingestellt wird, daß dps viskose Strömungsmittel die gewünschte Drehmomentbelaßtur_ώ auf der Welle erzeugt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Welle dadurch gedreht wird, daß Gas gegen auf der Welle befestigte Schaufeln strömt.

Rei/Gu

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