DE627369C

DE627369C - Turbine for expanding gases for the purpose of generating cold

Info

Publication number: DE627369C
Application number: DEZ20904D
Authority: DE
Original assignee: GUIDO ZERKOWITZ DR
Current assignee: GUIDO ZERKOWITZ DR
Priority date: 1933-03-25
Filing date: 1933-03-25
Publication date: 1936-03-13

Description

Turbine zum Entspannen von Gasen zum Zwecke der Kälteerzeugung Bei der Zerleung von Luft durch Tief-Z, kühlung ist es oft zweckmäßig, die Luft oder die Zerlegungsprodukte unter Leistung äußerer Arbeit bei tiefen Temperaturen zu entspannen. Es ist schon wiederholt vorgeschlagen worden, die Entspannung in einer Turbine vorzunehmen. Die praktische Durchführung dieses Vorschlages ist bisher jedoch noch nicht in befriedigender Weise gelungen, da. die erzielte Temperatursenkung stets zu klein war. Die Schwierigkeiten bestehen darin, daß das zu entspannende Arbeitsmittel wegen der tiefen Temperaturen sehr dicht ist, claß die Gasmengen verhältnismäßig klein sind. zumal in vielen Fällen nur ein Teil der Zerlegungsprodukte entspannt werden soll. Auch ist das zu verarbeitende Wärmegefälle meist klein, wodurch die Verluste in den Zu-und Abströmleitungen stark zur Geltung kommen. Ferner spielt die Wärmeeinstrahlung von außen eine erhebliche Rolle. Sie macht sich, im Gegensatz zu Dampf- und Gasturbinen. die im Bereich hoher Temperatur arbeiten, in einer Verminderung der Temperatursenkung geltend. Es ist also schwierig, eine ausreichende Temperatursenkung ztt erreichen.Turbine for expanding gases for the purpose of generating cold the decomposition of air by deep-Z, it is often expedient to use the air or the decomposition products with the performance of external work at low temperatures relax. It has been suggested repeatedly that relaxation in one Make turbine. The practical implementation of this proposal is so far, however not yet succeeded in a satisfactory manner since. the achieved temperature reduction was always too small. The difficulty is that that is too relaxing The working medium is very tight because of the low temperatures, so the gas quantities are proportionate are small. especially since in many cases only some of the decomposition products are relaxed shall be. The heat gradient to be processed is usually small, which means that the Losses in the inflow and outflow lines come into their own. Also plays the heat radiation from outside plays a significant role. It makes itself, in contrast to steam and gas turbines. working in the high temperature range, in a reduction the temperature decrease applies. So it is difficult to lower the temperature sufficiently ztt reach.

Vorliegende Erfindung trägt dazu bei, diese \acliteile zu beseitigen. Gemäß der Erfindung wird <las zu entspannende Gas, -r.. B. ein Teil des in der Drucksäule eines Zerlegungsapparates abgeschiedenen Stickstoffes, zwecks Erzeugung von Kälte in einer Turbine entspannt, lief der der Läufer fliegend ini Geli<itise der finit der Turbine gekuppelten, anzutreibenden Maschine oder des davorgesclialteten hetriebes gelagert ist. Es ist an sich bekannt, bei Turbinen den Läufer fliegend anzuordnen. Durch die Anwendung dieses Prinzips bei Turbinen, die Gase unter Arbeitsleistung zum Zwecke der Kälteerzeugung entspannen zusammen finit der Lagerung der Welle, nicht ini Gehäuse der Turbine, sondern lediglich in der anzutreibenden Maschine oder in dein davorgeschalteten Getriebe, wird es möglich, einerseits unmittelbar die Kälteverluste durch den WÜrmezustroin von den Lagern über die Welle zum kalten Gas weitgehend Herabzusetzen, .andererseits das Gehäuse der Turbine von allen Seiten zugänglich zu machen, so daß es überall in ausreichendem 'Maße finit Isoliermaterial umgeben werden kann.The present invention helps to eliminate these parts. According to the invention, <las gas to be expanded, -r .. B. part of the in the Pressure column of a separation apparatus separated nitrogen for the purpose of generation Relaxed by the cold in a turbine, the runner ran on the fly ini Geli <itise the finite turbine-coupled machine to be driven or the one before it operation is stored. It is known per se that the rotor is flying in turbines to arrange. By applying this principle to turbines, the gases under work performance for the purpose of cooling, relax together finite the bearing of the shaft, not in the housing of the turbine, but only in the machine to be driven or in your upstream transmission, it becomes possible, on the one hand, directly the cold losses due to the heat inflow from the bearings via the shaft to the cold Reduce gas to a large extent, on the other hand, the turbine housing from all sides to make accessible, so that there is sufficient 'degree of finite insulation material everywhere can be surrounded.

In Abb. i der Zeichnung bedeutet i den nicht näher dargestellten Trennungsapparat üblicher Bauart, 2 den Zuströrnstutzen Gier Turbine. 3 die Düse, .l die Laufschauflung, das Laufrad, < den Abströmstutzen. In diesem Falle findet die Strömung von außen nach innen statt: es ist aber ohne weiteres möglich. auch die umgekehrte Strömungsrichtung vorzusehen, d. h. das Gas von innen zuzuführen und außen zum Geg en strönier zurückzuleiten. Diese Anordnung eil.pfielilt. sich besonders, wenn mehr als leine Stufe vorgesehen wird. Der Durchmesser des innersten Schaufelkranzes a kann im Grenzfalle so klein geig ülilt werden. daß er den Durchmesser des Stutzens G nur uni ein geringes 'Maß überschreitet. Die Turbinenwelle io ist ausschließlich in deni Gehäuse ii des Getriebes gelagert; 13 und 14 bedeuten die Lagerschalen der beiden Lager. Uni die kalten Gase möglichst entfernt von den warmen Teilen zu lialtun, ist der Abstand -zwischen Laufrad und dein turbinenseitigen Lager 13 größer @c@@-;ihlt, als den konstruktiven Notwendigkciten entspricht. Hierdurch wird zwar die I)urchbiegung der Welle io erhöht und damit die kritische Umlaufzahl der Turbine herab-"esetzt. Dieser Nachteil kann jedoch dadurch behoben werden, daß das Rad 5 in hieriür bekannter Weise aus einem Baustoff von :;eringem spezifischem Gewicht, wie z. B. Dur-:ilttininium, -hergestellt wird,- wiihrend für die Welle ein Material von hoher Festigkeit zur Anwendung kommt, das zweckmäßig ein niedriges Wärmeleitvermögen besitzt. Uni den Wärmezustrom von den umlaufenden Teilen der Turbine möglichst fernzuhalten, wird die @\'elle io zweckmäßig in ebenfalls bekannter Weise hohl ausgeführt, so daß der wärmeleitende Ouerschnitt ohne wesentliche Beeinträchtigung der Festigkeit verkleinert wird. Zwischen der `Felle io und der Lager-schale 13 wird eine ausgesparte Büchse 12 angeordnet. Durch Aussparungen in der ähe des Rades 5 kann gleichfalls Übertragung herabgesetzt herabgesetzt werden.In Fig. I of the drawing, i denotes the separating apparatus of conventional design, not shown in detail, and 2 denotes the Gier turbine inlet nozzle. 3 the nozzle, .l the rotor blade, the impeller, <the discharge nozzle. In this case the flow takes place from the outside to the inside: but it is easily possible. also to provide the reverse flow direction, ie to supply the gas from the inside and to lead it back to the counter stream on the outside. This arrangement is urgent. especially if more than one step is planned. The diameter of the innermost blade ring a can in the limiting case be so small. that it exceeds the diameter of the connecting piece G by only a small amount. The turbine shaft io is mounted exclusively in the housing ii of the gearbox; 13 and 14 indicate the bearing shells of the two bearings. In order to keep the cold gases as far away from the warm parts as possible, the distance between the impeller and the turbine-side bearing 13 is greater than what is required by the design. This increases the deflection of the shaft and thus lowers the critical number of revolutions of the turbine e.g. Dur-: ilttinium, - is produced, - while a material of high strength is used for the shaft, which expediently has a low thermal conductivity. A hollow bush 12 is arranged between the skin and the bearing shell 13 transmission can also be reduced.

Um die @Vä rmezufuhr durch die feststellenden Teile weiter- einzuschränken, wird das (Tehäuse der Turbine durch einen schmalen Rundsteg S und durch den Flansch 9 mit dem. Gehäuse i i des Getriebes verbunden.In order to further limit the heat supply through the locking parts, the (turbine housing through a narrow round web S and through the flange 9 with the. Housing i i of the transmission connected.

Die ganze Turbine einschließlich Zu- und Abströmleitungen wird allseits durch Isolierinaterial 15 umhüllt, dessen Dicke, zumal auf der dem Trennungsapparat abgekehrten Seite, möglichst groß ist. Durch die erhebliche Entfernung zwischen Turbine und Getriebegehäuse wird dies ermöglicht. Die hohe thermische Isolierung des expandierenden Gases (yestattet es, die Lagerung der- Welle ohne Kälteverluste auf beträchtlich höheren Temperaturen als die Gastemperatur zu halten, so daß die gewöhnlichen Schmiermittel für 'die Lagerung verwendet werden können.The entire turbine including inlet and outlet lines is on all sides enveloped by insulating material 15, the thickness of which, especially on that of the separation apparatus facing away, is as large as possible. Because of the considerable distance between This is made possible by the turbine and gearbox housing. The high thermal insulation of the expanding gas (allows the shaft to be stored without loss of cold at considerably higher temperatures than the gas temperature, so that the Ordinary lubricants can be used for 'storage.

In Abb.2 ist eine Ausführungsform des Turbinenläufers dargestellt, bei der- der Schwerpunkt des Rades dem Lager etwas näher gerückt-werden kann, ohne daß dabei die-"l,bstä nde der mit dem kalten expandierenden Gas in Berührung kommenden Teile von den wärmeren vermindert werden. Das Rad 16 erhält in diesem Falle eine kegelige Form, wodurch Gier Schwerpunkt näher beim Lager liegt als die vom kalten Treibmittel durchströmten Schaufeln.In Fig.2 an embodiment of the turbine rotor is shown in which the center of gravity of the wheel can be moved a little closer to the bearing without the parts coming into contact with the cold expanding gas being removed from the warmer ones the wheel can be reduced. 1 6 receives a conical shape in this case, thereby yaw during focusing bearing is closer than the flow-through from the cold propellants blades.

Durch die vorstehend beschriebene Anordnung wird eine beträchtliche Temperatursenkung des durcliströntenden-Gases in der Turbineerzielt. Es sei besonders betont, daß es in dieseln halle nicht genügt, wenn die Turbine in üblichem Sinne einen guten Wirkungsgrad besitzt. Der effektive, auch die mechanischen Verluste umfassende Wirkungsgrad hat für die Luftzerlegung nur eine untergeordnete Bedeutung. Andererseits ist aber ein hoher innerer Wirkungsgrad für sich allein im vorliegenden Falle nicht ausreichend. 'Wie man z. B. an Hand eines Entropiediagrammes ersehen kann, wird namlrclt die innere Arbeit einer bei tiefen Temperaturen laufenden Turbine durch Wärmezufuhr aus der Umgebung erhöht, obwohl die Endtemperatur der Expansion dabei steigt. Dies rnuß aber im vorliegenden Falle vermieden werden es muß .daher außer für einen hohen inneren Wirkungsgrad der Turbine auch noch für eine vorzügliche thermische Isolierung gesorgt Nj=erden. ' In einer Turbine gemäß der Erfindung läßt sich die Entspannung von Gasen unter Leistung äußerer Arbeit mit einer Abkühlung durchführen, die mindestens der in Kolbenmaschinen erreichbaren entspricht. Besondere Bedeutung hat die neue Turbine für diejenigen Luftzerlegungsverfahren, bei denen die Luft oder die Zerlegungsprodukte zur Deckung der Kälteverluste etwa bei der Temperatur der flüssigen Luft nur um einige Zehntel Atmosphären entspannt werden, weil bei diesen tiefen Temperaturen und dem geringen Druckgefälle bei Kolbenmaschinen Betriebsschwierigkeiten auftreten.The arrangement described above is a considerable Achieved temperature reduction of the gas flowing through the turbine in the turbine. It is special emphasizes that it is not sufficient in dieseln hall if the turbine in the usual sense has a good efficiency. The effective, including the mechanical losses comprehensive efficiency is only of secondary importance for air separation. On the other hand, however, a high internal efficiency is in itself in the present Fall inadequate. 'How to z. B. can be seen on the basis of an entropy diagram can, namlrclt the internal work of a turbine running at low temperatures increased by the supply of heat from the environment, although the final temperature of the expansion thereby increasing. In the present case, however, this must be avoided in addition to the high internal efficiency of the turbine, also an excellent one thermal insulation provided Nj = ground. 'In a turbine according to the invention the relaxation of gases while performing external work with a cooling perform which corresponds at least to that which can be achieved in piston engines. Special The new turbine is important for those air separation processes in which the air or the decomposition products to cover the cold losses, for example in the The temperature of the liquid air can only be relaxed by a few tenths of an atmosphere, because at these low temperatures and the low pressure gradient in piston engines Operational difficulties occur.

Die Anwendung der neuen Turbine ist nicht auf die Entspannung von Gasen. bei der 'Zerlegung von Luft beschränkt, sondern ist auch bei der Zerlegung anderer Gasgemische, wie beispielsweise Koksofengas, zur Kälteerzeugung verwendbar bzw. läßt sie sich auch als Kaltluftmaschine benutzen.The application of the new turbine is not based on the relaxation of Gases. limited in the 'decomposition of air, but is also limited in the decomposition other gas mixtures, such as coke oven gas, can be used for cold generation or it can also be used as a cold air machine.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Turbine for relaxing gases for the purpose of cold generation, especially when breaking down air or other gas mixtures at low temperatures, characterized in that the rotor is overhung in the housing of the turbine coupled to the driven Ma or the upstream gearbox.

2. Turbine according to claim i, characterized in that dali the impeller is conical and is arranged such that the blades on the The side facing away from the camp is the one passing through the center of gravity of the whole wheel, to 1Velle lie vertical plane.