DE69016292T2

DE69016292T2 - Turboexpander mit hohem Wirkungsgrad.

Info

Publication number: DE69016292T2
Application number: DE1990616292
Authority: DE
Inventors: James Bragdon Wulf
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1989-07-17
Filing date: 1990-07-16
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2010-07-17
Also published as: CA2021226A1; DE69016292D1; EP0409133B1; CA2021226C; BR9003421A; EP0409133A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Turboexpansion, wobei Fluid zur Erzeugung nutzbarer Arbeit expandiert wird.

Technischer Hintergrund

Ein Hochdruckfluid wird häufig durch eine Turbine hindurch expandiert, d.h. im Druck reduziert, um nutzbare Energie aus dem Fluid abzuziehen und somit Arbeit zu erzeugen. Das Hochdruckfluid tritt in die Turbine ein und strömt durch eine Mehrzahl von Durchlässen, die von Turbinenschaufeln gebildet werden, welche auf einer Laufradnabe angebracht sind, die ihrerseits auf einer Welle angebracht ist. Das Fluid tritt in die Schaufeldurchlässe ein und bewirkt eine Drehung des Laufrades und führt schließlich zu der Gewinnung von Energie und zur Erzeugung von Arbeit aus der sich drehenden Welle.
Aus GB-A-838 416 ist ein Turbine bekannt, welche mit einem Turbinenlaufrad versehen ist, das Laufradschaufeln aufweist, die sich axial und in Umfangsrichtung der Laufradscheibe erstrecken. Das Antriebsmedium wird in einer im wesentlichen nach innen gerichteten radialen Richtung auf die Schaufeln gebracht und wird beim Durchströmen durch die Schaufelkanäle von der Scheibe abgelenkt. Die Auslaßkanten der Schaufeln sind, im Axialschnitt gesehen, in Strömungsrichtung vom Inneren nach außen in Bezug auf die Drehachse des Laufrades geneigt. Die Schaufelform ist so gewählt, daß die Druckänderungen über die gesamte Querschnittsfläche der Strömung durch das Laufrad gleich sind, wobei das Antriebsmedium von allen punkten auf der Auslaßkante jeder Schaufel mit gleichen Absolutgeschwindigkeiten ausgelassen wird, wobei die Geschwindigkeitsrichtungen in axialen Ebenen liegen.
Es ist wünschenswert, die Expansionsturbine mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu betreiben. Da Turboexpander im allgemeinen mit großen Fluidvolumina arbeiten, hat bereits eine geringe Wirkungsgradsteigerung einen bedeutenden Einfluß auf die Betriebsergebnisse.
Folglich ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Turboexpanders zu schaffen, um einen gegenüber herkömmlichen Betriebsverfahren gesteigerten Wirkungsgrad zu erreichen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung einen Turboexpander mit hohem Wirkungsgrad zu schaffen, welcher einen gegenüber herkömmlichen Turboexpandern gesteigerten Wirkungsgrad aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann beim Lesen dieser Beschreibung offenbar werden, werden mit der vorliegenden Erfindung gelöst, und dabei besteht ein Aspekt der Erfindung in:
einem Verfahren zum Betreiben eines Turboexpanders, der eine drehbare Baugruppe aufweist, zu der eine Welle, eine auf der Welle montierte Laufradnabe und eine Mehrzahl von Schaufeln gehören, wobei diese Schaufeln mittels einer Verkleidung abgedeckt und auf der Laufradnabe zur Bildung einer Mehrzahl von Fluidströmungswegen montiert sind, von denen jeder von der Oberfläche der Laufradnabe und zwei benachbarten Schaufeln bestimmt wird, wobei im Zuge des Verfahrens das Fluid durch den Fluidströmungweg hindurch geleitet wird, während der senkrecht zu der mittleren Stromlinie des Fluids in der Meridianebene zwischen der Laufradoberfläche und der Verkleidungsoberfläche gerichtete Druck im wesentlichen konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einen Fluidströmungsweg an der vorgesehenen Stelle des Turboexpanders unter einem Winkel eingeleitet wird, der auf die Vorderkante der hinteren der beiden den Fluidströmungsweg bildenden Schaufeln zugerichtet ist, wobei dieser Eintrittswinkel im Bereich von etwa - 10 bis - 40º liegt,
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in:
einem Turboexpander, der eine drehbare Baugruppe aufweist, zu der eine Welle, eine auf der Welle montierte Laufradnabe und eine Mehrzahl von Schaufeln gehören, wobei diese Schaufeln von einer Verkleidung abgedeckt und auf der Laufradnabe zur Bildung einer Mehrzahl von Fluidströmungskanälen montiert sind, von denen jeder von der Oberfläche der Laufradnabe und zwei benachbarten Schaufeln bestimmt ist, wobei die Laufradnabe und die beiden benachbarten, den Fluidströmungskanal bildenden Schaufeloberflächen so konturiert sind, daß dann, wenn sich ein Fluidelement durch den Fluidströmungskanal entlang der mittleren Stromlinie bewegt, die Summe der auf das Element senkrecht zu der Stromlinie in der Meridianebene einwirkenden Kräfte etwa 0 ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Einleiten von Fluid in einen Fluidströmungskanal an der vorgesehenen Stelle des Turboexpanders unter einem Winkel, der auf die Vorderkante der hinteren der beiden den Fluidströmungskanal bildenden Schaufeln zugerichtet ist, wobei dieser Eintrittswinkel im Bereich von etwa -10 bis -40º liegt.
Wie hier gebraucht, bezeichnet der Begriff "Turboexpanderwirkungsgrad" das Verhältnis der wirklichen zur idealen Enthalpiedifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßbedingungen des Turboexpanders.
Wie hier gebraucht, bezeichnet der Begriff "mittlere Stromlinie" die Fluidströmungslinie, welche die Mittelpunkte des Fluidströmungskanals entlang des Fluidströmungswegs verbindet.
Wie hier gebraucht, bezeichnet der Begriff" Meridianebene" jede Ebene, welche einen punkt der mittleren Stromlinie der Fluidströmung und die Mittellinie der Laufradwelle enthält.
Wie hier gebraucht, bedeutet der Begriff "im wesentlichen konstant" innerhalb plus/minus 10 prozent, vorzugsweise plus/minus 5 prozent.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine vereinfachte Querschnittdarstellung, welche einen Turboexpander zeigt, der zur Ausführung dieser Erfindung verwendet werden kann.
FIG. 2 ist ein Diagramm der Einlaßgeschwindigkeit, welches den erfindungsgemäßen Eintritt unter negativem Winkel veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung

Die Erflndung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 wird ein Fluid 14, wie beispielsweise Stickstoffgas, unter erhöhtem Druck zu und durch einen Turboexpander 15 hindurch in eine drehbare Baugruppe geleitet. Die Fluideinlaßkammer 16 kann eine Ausström- oder Sammelkammer sein, welche das Fluid zu Einlaßdüsen 17 leitet. Die drehbare Baugruppe weist eine Welle 5 sowie eine auf der Welle 5 angebrachte Laufradnabe 4 auf Eine Mehrzahl gekrümmter Schaufeln ist auf der Laufradnabe 4 angebracht, und in dieser Anordnung deckt eine Verkleidung 8 die Schaufeln ab. Diese Anordnung ergibt eine Mehrzahl von Fluidströmungswegen 3, welche von der Laufradnabenoberfläche, der Innenfläche der Verkleidung und zwei benachbarten Schaufeln gebildet werden. Verkleidete Laufräder, wie in FIG. 1 veranschaulicht, verwenden typischerweise eine Labyrinthdichtung 9 mit einem Dichtungsgegenstück 10, um zu verhindern, daß Fluid die drehbare Baugruppe umgeht. Unverkleidete oder offene Laufräder können mit dieser Erfindung verwendet werden, wobei deren Schaufelumriß eng an das stationäre Gehäuse 18 angepaßt ist. Im Falle unverkleideter oder offener Laufräder ist die Fläche des stationären Gehäuses äquivalent zu der Verkleidungsfläche und somit wird dann die Mehrzahl von Fluidströmungswegen von der Laufradnabenoberfläche, der Gehäuseinnenfläche und zwei benachbarten Schaufeln gebildet.
Fluid strömt durch die gekrümmten Strömungswege, wie mit dem Pfeil 7 veranschaulicht. Wenn das Fluid durch die Strömungswege strömt, vergrößert sich das Volumen entlang des Strömungsweges und das Fluid wird expandiert. Im Verlauf dieser Expansion wird der Fluiddruck durch einen Impulsübertrag auf die Schaufeln 6 verringert. Dieser Energieaustausch verursacht eine Drehung der drehbaren Baugruppe. Die Welle ist mit einer Anordnung verbunden, welche Energie verbraucht, wie z.B. mit einem Kompressor oder einem Generator. Auf diese Weise wird nutzbare Arbeit von dem Turboexpanderstrom beispielsweise auf den Betrieb eines Kompressors übertragen. Das expandierte Fluid wird aus dem Turboexpander 15 herausgeleitet, wie mit pfeilen 1 veranschaulicht. Typischerweise wird das Fluid von einem Druck in dem Bereich von ungefähr 21 bis 55 bar (ungefähr 300 bis 800 psia) auf einem Druck in dem Bereich von ungefähr 1 bis 7 bar (ungefähr 15 bis 100 psia) expandiert.
Das Fluid wird so durch die Strömungsdurchlässe geleitet, daß der Druck ausgeglichen wird, wobei der senkrecht zu der mittleren Stromlinie in der Meridianebene zwischen der Laufradnabenoberfläche und der Verkleidungsoberfläche gerichtete Druck im wesentlichen konstant gehalten wird. Ein Weg, um den senkrecht zur mittleren Stromlinie gerichteten Druck im wesentlichen konstant zu halten, besteht darin, einen Turboexpander mit Strömungskanalumrissen vorzusehen, welche die Kräfte auf ein Fluidelement, wie die Zentrifügalkraft aufgrund der Raddrehung, die Zentrifügalkraft aufgrund der gekrümmten Trajektorie des Elements, die Korioliskraft aufgrund der Bewegung in einem bewegten Koordinatensystem und die Kräfte aufgrund von Impulsänderungen, so ausgleicht, daß die Summe dieser Kräfte auf ein Fluidelement ungefähr Null ergibt, wenn es sich entlang einer mittleren, druckausgeglichenen Stromlinie in der Meridianebene bewegt. Ein Strömungsweg, wo die Kräfte auf ein Fluidelement wie oben beschrieben ausgeglichen sind, wird gewöhnlich als druckausgeglichener Strömungsweg bezeichnet. Der Fachmann auf den Gebiet der Turboexpansion ist mit dem Konzept eines druckausgeglichenen Strömungswegs und den Bedingungen, unter denen druckausgeglichene Strömung erreicht wird, vertraut. Eine besonders nützliche und ausführliche Beschreibung von Turbomaschinen im allgemeinen und druckausgeglichene Strömungswegen im besonderen ist in Turbomachines, O.E. Balje, John Wiley & Sons, New York 1981, insbesondere in Kapitel 6, zu finden.
Diese Erfindung umfaßt die Erkenntnis, daß ein unerwarteter Anstieg des Turboexpanderwirkungsgrads erreicht wird, wenn das Hochdruckfluid in die Fluidströmungswege unter einem definierten negativen Winkel eingeleitet wird und dann durch die Fluidströmungswege geleitet wird, während der senkrecht zu der mittleren Stromlinie in der Meridianebene gerichtete Fluiddruck im wesentlichen konstant gehalten wird.
Dieser definierte negative Winkel wird nun unter Bezugnahme auf FIG. 2 beschrieben. In FIG. 2 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Laufrads 20 mit Schaufeln 21, 22 und 23 dargestellt. Benachbarte Schaufeln 21 und 22 bilden die Seitenwände des Strömungsweges 24, und benachbarte Schaufeln 22 und 23 bilden die Seitenwände des Strömungsweges 25. Unter der Annahme einer Drehung des Laufrades 20 im Uhrzeigersinn 26, stellt die Schaufel 23 die vordere Schaufel und die Schaufel 22 die hintere Schaufel des Strömungsweges oder Strömungskanals 25 dar. In gleicher Weise stellt die Schaufel 22 die vordere Schaufel und die Schaufel 21 die hintere Schaufel des Strömungsweges oder Strömungskanals 24 dar. Die rechte Seite jeder Schaufel stellt die Vorderkante und die linke Seite jeder Schaufel stellt die Hinterkante dar.
Unter erhöhtem Druck stehendes Fluid wird in die drehbare Baugruppe mit einer bestimmten Absolutgeschwindigkeit eingeleitet, die in FIG. 2 durch den Vektor C&sub2; veranschaulicht wird. Dieser Vektor C&sub2; kann, wie in FIG. 2 veranschaulicht, in die Vektoren U&sub2; und W&sub2; zerlegt werden. U&sub2; stellt die tangentiale Laufradgeschwindigkeit an dem Eintrittspunkt des Fluids in die drehbare Baugruppe dar. W&sub2; stellt die Fluidgeschwindigkeit relativ zur Laufradoberfläche dar. Der Vektor W&sub2; bildet einen Winkel A&sub2; mit der Linie 27, die eine theoretische Verlängerung der Schaufel 22 darstellt. Dieser als relativer Strömungswinkel bekannte Winkel A&sub2; stellt den Winkel zwischen der Fluidströmung und den Schaufeln dar.
In der praxis dieser Erfindung wird an der vorgesehenen Stelle unter erhöhtem Druck stehendes Fluid mit einer solchen Absolutgeschwindigkeit in die drehbare Baugruppe eines Turboexpanders eingeleitet, daß der Winkel zwischen der Fluidströmung und den Schaufeln negativ ist. Mit anderen Worten, das unter erhöhtem Druck stehende Fluid strömt unter einem Winkel, der zu der Vorderkante der hinteren Schaufel der beiden benachbarten Schaufeln, welche den Strömungsweg bilden, hin gerichtet ist, in einen Strömungsweg ein. Dieser Eintrittswinkel liegt innerhalb des Bereichs von -10 bis -40 Grad.
Die gewünschte Einlaßströmung unter negativem Eintrittswinkel wird durch Einstellung der in FIG. 1 gezeigten Einlaßdüsen 17 erreicht. Es sei angemerkt, daß die Erfindung vorzugsweise im wesentlichen ohne Fluidverwirbelung am Auslaß des Turbinenlaufrades verwendet wird. Das bedeutet, daß der Schaufelaustrittswinkel so sein muß, daß das in den Diffusor 1 austretende Fluid im wesentlichen eine Tangentialgeschwindkeit von Null aufweist.
Das folgende Beispiel und die Vergleichsbeispiele werden dargestellt, um die Erfindung weiter zu veranschaulichen oder um den verbesserten Wirkungsgrad zu demonstrieren, der unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erflndung erreicht werden kann. Die Beispiele sollen nicht als begrenzend verstanden werden.

Beispiel

Gasförmiger Stickstoff unter einem Druck von ungefähr 34 bis 45 bar (ungefähr 500 bis 650 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia)) wurde mittels Durchleiten durch einen erfindungsgemäßen Turboexpander auf einen Druck von ungefähr 5 bis 6 bar (ungefähr 70 bis 90 psia) expandiert. Diese Expansion bewirkte eine Drehung der drehbaren Baugruppe des Turboexpanders mit ungefähr 23 000 Umdrehungen pro Minute (U/min). Das Fluid strömte durch jeden Strömungsweg, während der senkrecht zu der mittleren Stromlinie in der Meridianebene dieses Strömungswegs gerichtete Druck im wesentlichen konstant war, und das aus dem Laufrad austretende Fluid im wesentlichen verwirbelungsfrei war. Das Fluid wurde mit einer solchen Absolutgeschwindigkeit und Richtung in die drehbare Baugruppe eingeleitet, daß das Fluid einen Eintrittswinkel von ungefähr -15 Grad aufwies. Der Turboexpander wurde betrieben, bis ein stationärer Betriebszustand erreicht war und bis der Wirkungsgrad gemessen war.

Vergleichsbeispiel 1

Zu Vergleichszwecken wurden ähnliche Schritte wie im beschriebenen Beispiel ausgeführt, außer daß die Gestaltung des Turboexpanders und die absolute Fluidgeschwindigkeit und Richtung einen Eintrittswinkel von ungefähr 0 Grad ergaben. Der gemessene Wirkungsgrad des Turboexpanders betrug 1,7 Prozent weniger als der im Beispiel erzielte Wirkungsgrad.

Vergleichsbeispiel 2

Zu Vergleichszwecken wurden ähnliche Schritte wie im beschriebenen Beispiel ausgeführt, außer daß die Gestaltung des Turboexpanders und die absolute Fluidgeschwindigkeit und Richtung einen Eintrittswinkel von ungefähr +11 Grad ergaben. Der gemessene Wirkungsgrad des Turboexpanders betrug 2,5 Prozent weniger als der im Beispiel erzielte Wirkungsgrad.
Es ist damit gezeigt, daß das Verfahren und die Vorrichtung dieser Erfindung eine Erhöhung des Turboexpanderwirkungsgrads gegenüber dem Wirkungsgrad ermöglicht, der erzielt werden kann, wenn die Erfindung nicht eingesetzt wird.
Es ist überraschend, daß ein solcher Anstieg des Wirkungsgrads erzielt wird. Davor wurde auf dem Gebiet der Turboexpander angenommen, daß bei der Expansion von Fluid durch einen Turboexpander in einem druckausgeglichenen Strömungsweg der Fluideintrittswinkel mit den Schaufeln ungefähr 0 Grad betragen sollte. Dies gründet darauf, daß eine Injektion unter einem Eintrittswinkel von 0 Grad bewirken würde, daß dann das Fluid innerhalb der Strömungskanäle in kürzest möglicher Zeit entlang der Schaufeln ausgerichtet wäre, wobei Verwirbelungen, Gegenströme und anderes Strömungsverhalten innerhalb der Strömungskanäle, welche den Turboexpanderwirkungsgrad senken würden, verringert werden.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, glaubt der Anmelder, daß der unerwartete Anstieg des Turboexpanderwirkungsgrads, wenn das Fluid in die Strömungswege unter einem negativen Eintrittswinkel eingeleitet und dann durch die Strömungswege unter Druckausgleich expandiert wird, in folgender Weise erklärt werden kann.
Da die Schaufeln eine definierte oder nicht verschwindende Dicke aufweisen, wird das in die drehbare Baugruppe geleitete Fluid durch das Schaufelvolumen im Volumen beschränkt. Der Fluidstrom wird somit durch diese von der Dicke der vorderen Schaufel verursachte Kontraktion gestört. Diese Störung bewirkt einen Wirkungsgradverlust. Wenn jedoch das Fluid unter einem negativen Eintrittswinkel, d.h. zu der Eintrittskante der hinteren Schaufel hin, in die drehbare Baugruppe eingeleitet wird, wird die Fluidströmung geteilt, die oben diskutierte Störung wird verringert, und das Fluid folgt sehr eng dem vom Konstrukteur beabsichtigten Weg.
Unter Verwendung dieser Erfindung kann nun Turboexpansion mit einem höheren Wirkungsgrad ausgeführt werden, als er vorher zu erreichen war. Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform detailliert beschrieben wurde, versteht es sich, daß es im Rahmen der Ansprüche andere Ausführungsformen dieser Erfindung gibt.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Turboexpanders (15), der eine drehbare Baugruppe aufweist, zu der eine Welle (5), eine auf der Welle montierte Laufradnabe (4) und eine Mehrzahl von Schaufeln (6; 21, 22, 23) gehören, wobei diese Schaufeln mittels einer Verkleidung (8) abgedeckt und auf der Laufradnabe zur Bildung einer Mehrzahl von Fluidströmungswegen (3; 24, 25) montiert sind, von denen jeder von der Oberfläche der Laufradnabe und zwei benachbarten Schaufeln bestimmt wird, wobei im Zuge des Verfahrens das Fluid durch den Fluidströmungweg hindurch geleitet wird, während der lotrecht zu der mittleren Stromlinie des Fluids in der Meridianebene zwischen der Laufradoberfläche und der Verkleidungsoberfläche gerichtete Druck im wesentlichen konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in einen Fluidströmungsweg (3; 24, 25) an der vorgesehenen Stelle des Turboexpanders (15) unter einem Winkel eingeleitet wird, der auf die Vorderkante der hinteren der beiden den Fluidströmungsweg bildenden Schaufeln zugerichtet ist, wobei dieser Eintrittswinkel im Bereich von etwa - 10 bis - 40º liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Fluid ein Gas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Gas Stickstoff ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die drehbare Baugruppe (4, 5, 6) innerhalb eines stationären Gehäuses (18) sitzt und jeder Fluidströmungsweg (3) auch von der Gehäuseoberfläche bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Verkleidung (8) die Schaufeln (6) abdeckt und jeder Fluidströmungsweg (3) auch von der Verkleidungsoberfläche bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner das Fluid aus dem Fluidströmungsweg (3) mit im wesentlichen einer Tangentialgeschwindigkeit von 0 herausgeleitet wird.

7. Turboexpander, der eine drehbare Baugruppe aufweist, zu der eine Welle (5), eine auf der Welle montierte Laufradnabe (4) und eine Mehrzahl von Schaufeln (6; 21, 22, 23) gehören, wobei diese Schaufeln von einer Verkleidung (8) abgedeckt und auf der Laufradnabe zur Bildung einer Mehrzahl von Fluidströmungskanälen (3; 24, 25) montiert sind, von denen jeder von der Oberfläche der Laufradnabe und zwei benachbarten Schaufeln bestimmt ist, wobei die Laufradnabe und die beiden benachbarten, den Fluidströmungskanal bildenden Schaufeloberflächen so konturiert sind, daß dann, wenn sich ein Fluidelement durch den Fluidströmungskanal entlang der mittleren Stromlinie bewegt, die Summe der auf das Element senkrecht zu der Stromlinie in der Meridianebene einwirkenden Kräfte etwa 0 ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung (17) zum Einleiten von Fluid in einen Fluidströmungskanal (3; 24, 25) an der vorgesehenen Stelle des Turboexpanders (15) unter einem Winkel, der auf die Vorderkante der hinteren der beiden den Fluidströmungskanal bildenden Schaufeln zugerichtet ist, wobei dieser Eintrittswinkel im Bereich von etwa -10 bis -40º liegt.

8. Turboexpander nach Anspruch 7, bei welchem die drehbare Baugruppe (4, 5, 6) innerhalb eines stationären Gehäuses (18) sitzt, jeder Fluidströmungskanal (3) auch von der Gehäuseoberfläche bestimmt ist und die Gehäuseoberfläche gleichfalls konturiert ist, um die definierte Kräftesumme zu erreichen.

9. Turboexpander nach Anspruch 7, bei dem ferner eine Abdeckung (8) vorgesehen ist, welche die Schaufeln (6) abdeckt, wobei jeder Fluidströmungskanal (3) auch von der Verkleidungsoberfläche bestimmt ist und die Schaufeloberfläche ebenfalls konturiert ist, um die definierte Kräftesumme zu erreichen.