DE3522516A1

DE3522516A1 - Entspannungsturbine

Info

Publication number: DE3522516A1
Application number: DE19853522516
Authority: DE
Inventors: Ji&rcaron;í Dipl.-Ing. Prag/Praha &Scaron;imek; Ji&rcaron;í Dipl.-Ing. Fojtek; Pavel Dipl.-Ing. Schustr; Jan Vanék; Martin Dipl.-Ing. Hradec Králové Vins
Original assignee: VYZK USTAV POTRAVIN
Current assignee: VYZK USTAV POTRAVIN
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1985-06-24
Publication date: 1986-10-16
Also published as: CS246659B1

Description

Entspannungst@rbine
Die Erfindung betrifft eine hochtourige Entspannungsturbine zur Erreichung tiefer Temperaturen, die insbesondere für Heliumkryoanlagen mit geringer Kälteleistung besti-mmt ist.
Bekannte Entspannungsturbinen bestehen aus einer Arbeitsstufe, einem Rotor mit Flüssigkeits- oder Gaslagern und einer @remsvorrichtung. Die Bremsvorrichtung ist gewöhnlich eine Flüssigkeitsbremse oder ein auf einer gemeinsamen Welle angebrachtes Verdichterrad bzw. ein Synchron- oder Asynchrongenerator.
Entspannungsturbinen kleiner Heliumkryoanlagen erreichen 100 bis 1000 W Leistung. Zur @rreichung eines günstigen Wirkungsgrades benutzen sie Arbeitsstufen mit Rädern von lo bis 20 mm Durchmesser, die bis zu 3oo.ooo J min-@ haben. Die niedrige Leistung und die außerordentlich hohe Drehzahl schließen den Einsats von Flüssigkeitslagern, die eine große innere Reibung haben, aus. bei den Gasradiallagern ist die innere Reibung niedrig genug, allerdings sind diese lager in der statischen Ausführung mit Druckgaszuführung in die Lager empfindlich gegenüber den bei hohen Drehgeschwindigkeiten auftretenden dynamischen Labilitäten. Radiale Sedimentgaslager dynamischen ps sind unempfindlich gegenüber dem auftreten dynamischer Labilitäten, erfordern jedoch eine viel höhere Herstellungsgenauigkeit als die statischen -aslager.
Die für größere Leistungen geeignete Flüssigkeitsbremsvorrichtung kompliziert erheblich die konstruktion der Entspannungsturbine, denn der Arbeitsgasraum muß vom Raum der Bremsflüssigkeit, die gewöhnlich 1 ist, perfekt abgetrennt werden. Das Bremsen der Entspannungsturbine mittels Verdichter ist ebenso wie mittels Flüssigkeitsbremse im Hinblick auf die dynamischen Eigenschaften mit einem Steuerprozessor schwierig zu regeln. Geeignete dynamische Eigenschaften und einfache Regelungsmethoden haben elektrische Bremsvorrichtungen mi Asynchron- bzw. Synchronalternator.
Für @ochtourige Entspannungsturbinen kleiner Kryoanlagen sind sie jedoch unbrauchbar im Hinblick auf die begrenzte mechanische Festigkeit des Rotors, die keine ausreichend hohe Drehzahl zuläßt.
Zwecks Gewährleistung einer ausreichenden Cenauigkeit der Lage des Arbeitsrades und der Leitschaufeln der Arbeitsstufe zueinander sind die Teile der Entspannungsturnine gewöb@lich im einem gemeinsamen gehäuse montiert. Die Arbeitsstufe hochtouriger Entspannungsturbinen von Heliumkryoanlagen arbeitet bei außerordentlich niedrigen Arbeitstemperaturen, bis -260° C. Durch das @ehä@se werden der Entspannungsturbine der angeführten @onstruktion erhebliche Wärmeströme der Arbeitsstufe zugeführt, die die Kälteleistung der Entspannungsturbine senken. Die Anwendung eines gemeinsamen Gehäuses für die ntspannungsturbine erfordert wenigstens eine demontierbare Verbindung im Tieftemperaturteil, gewöhnlich in dem Teil, der von der äußeren Seite durch Vakuum wärmeisoliert ist. Die vakuumdichte Ausführung dieser Tieftemperaturverbindung ist technisch außerordentli.ch anspruchsvoll.
Eine weitere bekannte Ausführung z@r Anschluß des Tieftemperaturteils ohne demontierbare Verbindung ist mittels eines dünnwandigen Brückenpaares ausgeführt.
Diese Ausführung löst das Dicht@eitsproblem, arer der Preis dafür sind doppelte Wärmeströme zur Arbeitsstufe der Entspannungsturbine.
Die Erfindung beseitigt die Nachteile des Standes der Technik. ½S ist die Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln die Lagerung und die Bremsvorrichtung bei einer Turbine der eingangs genannten Art zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrades zu verbessern.
Die Erfindung geht aus von einer Entspannungsturbine, bestehend aus einem Tieftemperaturteil mit Gasverteiler und Welle mit Arbeitsrad, die in axialen Gasgleitlagern und in radialen Gasgleitlagern mit drei verstellbaren Kippsegmenten gelagert ist, wobei die A@ialgleitlager und die Radialgleitlager symmetrisch au@erhalb der ele@-trischen Wirbelstrombremse angebracht sind.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Radialgleitlager gemeinsam mit den Axiallagern in fest mit dem elektrischen @irbe@strombremskörper verbundenen Lagerschildern verbunden sind. Der Tieftemperaturteil ist durch einen Flansch und eine dünnwandige Brücke von der Seite @es Arbeitsrades am Lagerschild befestigt. Im Tieftemperaturteil ist eine @ammer ausgebildet, in die an einer Seite die Leitung für die Gaszufuhr mündet.
An der entgegengesetzten Seite ist sie mit einem sich in Richtung zu den Verteilerschaufeln verengenden Kanal versehen.
Dabei @esteht die dünnwandigee Brücke, mit Vorteil in rotationssymmet@ischer Ausführung, zweckmäßigerweise aus einen @aterial mit nie@riger Wärmeleitfähigkeit.
Vorteilhafterweise ist in der Kammer des Tieftemperaturteils zwischen der Leitung für den Gaseintritt und dem @anal ein Filter angebracht, wobei der Kanal mit schrägen Führungsschaufeln versehen ist.
Das @adialgleitlager mit verstellbaren Kippsegmenten ist vorteilhafterweise so gestaltet, daß zur Unterstützung des @ippsegments an der der Stirnfläche gegen@@erlieger@en Seite eine @ülse für den Schaft der tellschraube ang@bracht ist, die mit ihrem Gewindeende in de@ im Lagerkörper gefaßten verstellbaren Ans@@lag gelagert ist, wobei zwischen verstellbarem @ns@@lag und @ülse ein elastisches Element koaxial ange@rdn@t ist.
Die Erfi@dung weist folgende Vorteile auf: Die @onstruktion der Entspannungsturbine der vorliegen@en Erfindung beschränkt die Wärmeströme zum Tieftem eraturteil durch Wärmezufuhr vom warmen Teil der Entspannungsturbine. Die Anordnung der Axial- und Radiallager in Lagerschildern au@@rhal@ der Wirbelstrombremse gewährleistet einen stabilen Betrieb bei hoher Drehzahl. Die von den Führungsse @aufeln und einer geeigneten Wahl der Kanalquerschnitte verursachte schraubenartige Bewegung des in die Leitschaufeln eintretenden Gases gewährleistet einen verlustlosen Eintritt in die Leitschaufeln un@ damit auch in die Schaufeln des Arbeitsrades, was sich durch einen höheren Wirkungsgrad der Entspannungsturbine bemerkbar macht. Ein in der Kammer des Tieftemperaturteils angebrachter Filter trägt, außer dem Filtereffekt, zur gleichmäßigen Gasverteilung vor dem Eintritt in die schrägen Führungsschaufeln bei. Die Stützen der verstellbaren Kippsegmente der Radialgleitlager ermöglichen durch unabhängiges Drehen von Stellanschlag und Stellschraube die Einstellung des primären Lagerspiels auf 1,5 µm genau. Die Möglichkeit der genauen Einstellung des Lagerspiels bei der @ontage senkt erheblich die Ansprüche an die Herstellungsgenauigkeit der Lager. Das zwischen Hülse und Stellanschlag angebrachte elastische Element begrenzt einerseits das Spiel im Gewinde und ermöglicht andererseitsein Verschieben der Hülse und also auch des Lagersegments in Richtung von der Lagerachse. Diese Möglichkeit erweist sich insbesondere bei sehr unterschiedlichen Temperaturregimen des Lagers als günstig, eventuell bei Schadensfällen, wenn das Lagerspiel auf diese Weise automatisch kompensiert wird.
Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer Entspannungsturbine @äher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Entspannungsturbine im Schnitt.
Fig. 2 das Kippsegment mit Feder im Schnitt.
@as Arbeitsrad 10 ist auf der Welle 6 gelagert, die in radialen Gasgleitlagern 4 und axialen Gasgleitlagern 5 gelagert ist, die in den Lagerschildern 1 und 2 befestigt sind. Die Lagerschilder 1 und 2 sind am Wirbelstrombremskörper befestigt. Der Tieftemperaturteil der Entspannungsturbine wird von den @eitschaufeln 19 gebildet, die eine Fortsetzung des @anals 18 sind, der mit einer Kammer 14 verbunden ist, in die die Leitung 16 für die Gaszufuhr mündet.
Mit der Leitung 20 wird das entspannte Gas vom Tieftemperaturteil abgeleitet. In den Kanal 18 sind die schrägen Führungsschaufeln 17 eingelegt, in der Kammer 14 ist ein Filter 15 angebracht. Durch die dünnwandige Brüc@@ 13 ist der Tieftemperaturteil der Entspannungsturbine mit dem Flansch 12 verbunden. Der Flansch 12 ist am Lagerschild 1 befestigt. Gemäß Fig. 2 ist das vers@ellbare Kippsegment der radialen Gleitlager von der Stütze 3 getragen, auf die sich die Hülse 8 abstüt@t, in die der Schaft 9 der Stellschraube 21 eingrei@t, die mit ihrem Gewindeende im in den Lagerschildern 1, 2 gefaßten @tellanschlag 22 gelagert ist.
@wischen dem Stellanschlag 22 und der Hülse 8 ist @arailel das elastische Element 23 angeordnet.
@ie @unktion der Entspannungsturbine ist folgende: @as @emprimierte kalte @as @elangt durch die Leitung 16 i@ die @ammes 14, in der es den Filter 15 durchläuft und @anach, gleichmäßig verteilt, in den Kanal 18 eintritt, in @em es von den schrägen Führungsschaufeln 17 in schraubenförmige Bewegung überführt wird, so daß es mit übereinstimmendem @inkel in die Leitschaufeln 19 eintritt. Das von den Leitschaufel 19 orientierte Gas übergibt beim Durchgang durch das Arbeitsrad die Energie an die Welle 6, die sich i@ den Lagern 4, 5 dreht. Im Gehäuse 7 der Wirbelstrombremse wird die Energie in durch Kühlwasser abgeleitete Wärme umgewandelt. Das durch Entspannungs abgekühlte Gas wird mit der Leitung 20 abgeleitet. Zwecks @egrenzung der Wärmezufuhr zum Tieftemperaturteil wird dieser von der dünnwandigen Brücke 13 aus einem @aterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit getragen. Mittels des Flansches 12 ist der Tieftemperaturteil mit dem Lagerschild 1 verbunden. Die radialen Gleitlager 4 haben Kippsegmente, die von Stützen 3 getragen sind, deren genaue blosito on. so gesichert wird, daß die verstellbare Stütze 3 sich auf die auf den Schaft 9 der Stellschraube 21 aufgesetzte Hülse 8 stützt. Das Aufsetzen der Hälse 8 auf den Vorsprung der Stellschraube 21 gewährleistet das elastische Element 23, das sich mit seinem entgegengesetzten Ende auf den Stellanschlag 22 stützt. Das Gewinde der Stellschraube 21 und das eventuelle äußere Gewinde des Stellanschlages 22 haben vorzugsweise unterschiedliche Steigung, was eine feine Positionsregelung der Stütze 3 und damit auch des Segments von Radiallager 4 gewährleistet.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Entspannungsturbine, umfassend einen Tieftemperaturteil mit Gasverteiler und Welle mit Arbeitsrad, die in axialen Gasgleitlagern und in radialen Gasgleitlagern mit drei verstellbaren Kippsegmenten gelagert ist, wobei die axialen Gasgleitlager und die radialen Gasgleitlager symmetrisch außerhalb der elektrischen Wirbelstrombremse angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialgleitlager (4) gemeinsam mit den Axialgleitlagern (5) fest mit dem Gehäuse (7) der elektrischen Wirbelstrombremse verbundenen Lagerschildern (1, 2) verbunden sind, wobei der Tieftemperaturteil am Lagerschild (1) von der Seite des Arbeitsrades durch einen Flansch (12) und eire dünnwandige Brücke (13) befestigt ist, während im Tieftemperaturteil eine Kammer (14) gebildet ist, in die auf einer Seite die Leitung (16) für die Gaszufuhr mündet und auf der entgegengesetzten Seite ein kanal gebildet ist (18), der sich in Richtung zu der @eitschaufeln (19) verengt und mit schrägen Führungs@chaufeln (17) versehen ist.
2. Entspannungsturbine nach Anspruch @, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige Brücke (13) aus einem Mat/erial mit niedriger @ärmeleitfähigkeit hergestellt ist.
3. Entspannungsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnwandige @rücke (13) als rotationssymmetrisckes oder rotierendes Element angefertigt ist.
4. Entspannungsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (14) zwischen der Leitung (16) für den @aseintritt und dem kanal (18) ein Filter (15) ange@racht ist.
5. Entspannungsturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß @as Radialgleitlager mit verstellbaren Kippsegmenten so gestaltet ist, daß an der Stütze (3) des @ipps@gmentes an der der Stirnfläche gegenüberliegenden seite die @@lse (8) auf dem Schaft (9) der Stellschraube (21) angebracht ist, die mit ihrem Gewindeende im i@ den @agerschildern (1, 2) gefaßten Stellansc@lag (22) gelagert ist, wobei zwischen Stellschrau-@e (22) un @@@l@e (8) das @@@@ti@che Element (23) parailel angeordnet ist.