DE724269C

DE724269C - Turbine for the expansion of gases

Info

Publication number: DE724269C
Application number: DEM148020D
Authority: DE
Inventors: Dr Peter Grassmann
Original assignee: Messer and Co GmbH
Current assignee: Messer and Co GmbH
Priority date: 1940-06-22
Filing date: 1940-06-22
Publication date: 1942-08-21

Description

Turbine zur Entspannung von Gasen Für die arbeitsleistende Entspannung eines Gases zum Zwecke der Kälteerzeugung, insbesondere für die Bereitstellung der für die Luftverflüssigung nötigen Kälte, steh-en im wesentlichen zwei Verfahren zur Verfügung die Entspannung in einer Entspannungsmaschine mit hin und her gehendem Kolben und die Entspannung in einer Turbine.Turbine for the expansion of gases For the work-performing expansion of a gas for the purpose of refrigeration, in particular for the provision of There are essentially two processes involved in the refrigeration required for air liquefaction available to relax in a relaxation machine with going back and forth Pistons and relaxation in a turbine.

Die Entspannungsmaschinen haben den Nachteil, verhältnismäßig groß und schwer zu sein, was nicht nur wegen des großen Materialaufwandes, sondern auch wegen der dadurch bedingten langen Anfahrzeit und der dauernden Kälteverluste durch Wärmeleitung in den Konstruktionsteilen und im Isoliermaterial äußerst ungünstig ist.The relaxation machines have the disadvantage of being relatively large and to be heavy, not only because of the large amount of material used, but also because of the long start-up time that this entails and the constant loss of cold Heat conduction in the construction parts and in the insulating material is extremely unfavorable is.

Aber auch der Einführung der Turbinen stehen, besonders bei kleineren Anlagen zur Verflüssigung und Zerlegung von Luft, erhebliche Schwierigkeiten im Wege: die hohe Dichte der komprimierten und tiefgekühlten Gase zwingt dazu, einen möglichst großen Teil des Rotors zu beaufschlagen, um die verlustbringende Ventilationsarbeit der nicht beaufschlagten Teile tunlichst zu vermeiden.. Da ferner das hohe Druckgefälle möglichst in einer einzigen Stufe ausgenutzt werden soll, müssen hohe Umfangsgeschwindigkeiten gewählt werden, und beide Bedingungen führen zu sehr kleinen, jedoch extrem schnell laufenden Turbinen. So besitzt beispielsweise eine kürzlich; in der Literatur beschriebene Turbine für die Entspannung von 5oo bis rooom3/h Luft zur Kälteerzeugung einen Rotor mit nur 25o g Gewicht, dessen Umdrehungszahl bis auf 6o ooo U/min gesteigert wurde.But also the introduction of the turbines stand, especially with smaller ones Plants for the liquefaction and separation of air, considerable difficulties in Ways: the high density of the compressed and frozen gases forces one to apply as large a part of the rotor as possible to the loss-making ventilation work of the parts that are not exposed to the action as much as possible .. There is also the high pressure gradient If possible, should be used in a single stage, high peripheral speeds must can be chosen, and both conditions result in very small but extremely fast running turbines. For example, one recently owned; described in the literature Turbine for the expansion of 5oo to rooom3 / h air to generate cold a rotor with a weight of only 25o g, the speed of which has been increased to 60,000 rpm.

Besondere Schwierigkeiten bei der Anwendung solch hoher Drehzahlen ergeben sich bei der Ausführung der Lager. Diese müssen nicht nur für. die hohe Umdrehungszahl geeignet sein, sondern auch gegen den bei Luftzerlegungsanlagen üblichen Austrittsdruck von etwa 5 atü vollkommen dicht halten. Um eine einwandfreie Schmierung zu gewährleisten, müssen die Lager meist etwa auf Raumtemperatur gehalten werden. Da jedoch der Abstand zwischen dem auf tiefer Temperatur befindlichen beschaufelten Teil des Rotors und den Lagern aus Stabilitätsgründen nicht zu groß sein darf, treten durch die Wärmeleitung in der Achse des Rotors dauernd n-esentliche Kälteverluste auf. Um diese zu vermeiden, hat man schon vorgeschlagen, die Achse oder einen Teil derselben aus Materialien mit kleiner Wärmeleitfähigkeit, z. B.".' Kunststoffen, herzustellen. Jedoch ist dies bei der außerordentlich hohen Beanspruchung meist nicht möglich.Particular difficulties in using such high speeds result from the design of the bearings. These don't just have to be for. the height Speed be suitable, but also against the usual in air separation plants Keep the outlet pressure of about 5 atm completely tight. To ensure perfect lubrication To ensure this, the bearings usually have to be kept at around room temperature. However, since the distance between the bladed at a lower temperature Part of the rotor and the bearings must not be too large for reasons of stability through heat conduction in the axis of the rotor continuously n-esential Cold losses. In order to avoid this, it has already been suggested that the axis or a part thereof made of materials with low thermal conductivity, e.g. B. ". ' Plastics. However, this is due to the extremely high stress mostly not possible.

Aus allen diesen Schwierigkeiten .ergibt sich aber -ein überraschender Lösungsweg, wenn man die im Maschinenbau übliche Ausführungsform der Turbine verläßt und den Rotor überhaupt nicht mehr durch starre Lager hält, sondern ihn lediglich durch die vom Gasstrom ausgeübten Kräfte tragen läßt, wobei die in ihm wirkenden Kreiselkräfte die gewünschte Einstellung der Rotationsachse bewirken. Zugleich lassen sich dann Rotorformen anwenden, die in kleinsten Ausmaßen leicht hergestellt werden können und deren Festigkeit auch für höchste Umdrehungszahlen ausreichend ist.From all these difficulties, however, there is a surprising one Solution if you leave the turbine design customary in mechanical engineering and no longer holds the rotor at all with rigid bearings, only it can be carried by the forces exerted by the gas stream, the forces acting in it Gyroscopic forces cause the desired setting of the axis of rotation. Leave at the same time then use rotor shapes that are easily manufactured in the smallest dimensions and whose strength is sufficient even for the highest speeds.

Es sind zwar bereits für wissenschaftliche Versuche, so"besonders für die Messung der Lichtgeschwindigkeit, kleine Turbinen verwendet worden, bei denen der Rotor auch nicht durch Lager fest mit dem Motor verbunden war. Bei diesen Versuchen handelte es sich jedoch nicht darum, dem Gas Arbeit zu entziehen, sondern ihr Ziel war lediglich, einen Spiegel in möglichst schnelle Rotation zu versetzen. Aus dieser geänderten Zielsetzung heraus und wegen der besonderen Verhältnisse bei tiefen Temperaturen unterscheidet sich aber der hier beschrittene Lösungsweg grundsätzlich von dem dieser früheren Versuche.There are already so "special for scientific experiments" For measuring the speed of light, small turbines have been used at which the rotor was not firmly connected to the motor by bearings. With these Attempts, however, were not about removing work from the gas, but rather their only goal was to get a mirror to rotate as quickly as possible. Because of this changed objective and because of the special circumstances at However, the approach taken here differs fundamentally at low temperatures from that of these earlier attempts.

Es ist ferner bekannt, die Einstellung der Drehachse eines Rotors durch die Wirkung von Kreiselkräften zu erzwingen. Dies ist in weitgehendem Maße bei jeder mit überkritischer Drehzahl laufenden Turbine der Fall. Das Gewicht des Rotors wird jedoch auch bei diesen Ausführungsarten immer noch durch eine in festen Lagern drehbare Achse aufgenommen. Damit bestehen weiterhin die oben geschilderten Schwierigkeiten für die Lagerung, wenn die Turbine für die Kälteerzeugung Verwendung finden soll. Auch macht bei Turbinen, die mit überkritischer Drehzahl laufen, der Durchgang durch die kritische Drehzahl immer gewisse Schwierigkeiten.It is also known to adjust the axis of rotation of a rotor to force through the action of gyroscopic forces. This is to a large extent This is the case with every turbine running at supercritical speed. The weight of the However, even with these types of construction, the rotor is still fixed by an in Bearings rotatable axis added. This means that those described above still exist Difficulty for storage when using the turbine for refrigeration should find. Even with turbines that run at supercritical speed, the Passing through the critical speed always has certain difficulties.

Nach vorliegender Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch behoben, daß der Rotor zwar durch Kreiselkräfte stabilisiert, zugleich aber durch aerodynamische Kräfte in seiner Lage gehalten wird. Daß ein Tragen des Rotors durch die vom Gasstrom ausgeübten Kräfte möglich ist, erkennt man durch den in Abb. i dargestellten Versuch. Wird von unten her durch einen Trichter, in dein eine Kugel liegt, ein starker Gasstrom geblasen, so wird die Kugel zwar etwas von " der Trichterwand abgehoben, nimmt jedoch .dann sogleich eine stabile Gleichgetvichtslage eins; Die Abmessungen des Rotors werden zweckmäßig so gewählt, daß die Achse, um die die Rotation erfolgen soll, der Achse des größten Trägheitsmomentes entspricht. Die Rotation erfolgt dann von selbst immer um die längste Achse des Trägheitsellipsoids des Rotors, d.h. es ist nicht wie bei Rotoren mit festen Lagern nötig, durch Auswuchtung die Trägheitsachse mit der durch die Lager festgelegten Achse exakt zur Deckung zu bringen. Gerade dies ist aber für die Herstellung ein großer Vorteil, da bei kleinen und äußerst schnell laufenden Rotoren eine genaue Auswuchtung große Schwierigkeiten verursacht. Auch kann bei der Entspannung von Luft oder Gasen zur Kälteerzeugung durch Ansatz von Eis oder fester Kohlensäure an der Beschaufelung leicht die Auswuchtung des Rotors gestört werden. Es sei jedoch erwähnt, daß unter besonderen Bedingungen es auch möglich ist, als Rotationsachse die Achse des kleinsten Trägheitsmomentes zu wählen, wenn nämlich durch andere Kräfte für eine entsprechende Stabilisierung des Rotors gesorgt ist.According to the present invention, these difficulties are eliminated by that the rotor is stabilized by gyroscopic forces, but at the same time by aerodynamic ones Forces is held in its position. That the rotor is carried by the gas flow exerted forces is possible, can be recognized by the experiment shown in Fig. i. Is a strong gas flow from below through a funnel in which a ball lies blown, the ball is lifted somewhat from "the funnel wall, but takes .then immediately a stable equilibrium position one; The dimensions of the rotor are expediently chosen so that the axis around which the rotation is to take place corresponds to the axis of the greatest moment of inertia. The rotation then takes place from itself always around the longest axis of the rotor's ellipsoid of inertia, i.e. it is not necessary, as is the case with rotors with fixed bearings, by balancing the axis of inertia with the axis defined by the bearings exactly to coincide. Just but this is a great advantage for the production, since small and extremely high-speed rotors, accurate balancing causes great difficulties. It can also be used in the expansion of air or gases to generate cold by approach of ice or solid carbon dioxide on the blades can easily balance the Rotor are disturbed. It should be noted, however, that under special conditions it it is also possible to use the axis of the smallest moment of inertia as the axis of rotation choose, if namely by other forces for a corresponding stabilization of the Rotors is taken care of.

Die Abführung der vom Rotor geleisteten Arbeit geschieht am zweckmäßigsten auf elektrischem Wege, z. B. in der weiter unten beschriebenen Weise. Prinzipiell sind aber natürlich auch andere Möglichkeiten gegeben. besonders da es in erster Linie ja nur darauf ankommt, dem Gas den Wärmewert der geleisteten Arbeit zu entziehen und die Weiterverwendung dieser Arbeit von untergeordneter Bedeutung ist. So beträgt z. B. bei einem häufig gebauten Anlagetyp zur Zerlegung der Luft die bei ihrer Expansion zurückgewonnene Arbeit nur 3 bis q.% der für die Gaskompression aufgewandten Energie.The removal of the work done by the rotor is most expedient by electrical means, e.g. B. in the manner described below. In principle but of course there are also other options. especially since it is in the first place Line only depends on extracting the heat value of the work done from the gas and the re-use of this work is of minor importance. So amounts z. B. in a frequently built type of system for the decomposition of the air during its expansion Recovered work only 3 to q.% of the energy expended for gas compression.

Eine beispielhafte Ausführungsform ist durch Abb. 2 gegeben. Das zu entspannende Gas, z. B. Luft, tritt bei A ein. Im Filter 13 werden Verunreinigungen, die die Düsen der Turbine verstopfen könnten, zurückgehalten. Die gereinigte Luft sammelt sich im Raum C und tritt von hier durch einzelne verhältnismäßig weite Bohrungen D in den Verteilerraum E ein. Von hier strömt sie zu den eigentlichen Düsen N. Ihre Wand wird einerseits gebildet durch die sich zunächst düsenförmig verengende, dann auf kurze Länge hin zylindrische und schließlich sich unter Umständen auch wieder konisch erweiternde zentrische Bohrung des Statorkörpers F. Die andere Wand der Düsen wird gebildet durch den Innenkörper 0, der durch Gewinde und Kontermutter mit dem Stator verbunden ist. Der obere Teil dieses Innenkörpers trägt das mehrgängige kurze Gewindestück, durch das dem nach :oben strömenden Gas die gewünschte Drallbewegung aufgezwungen wird. liege Gasstrahlen stoßen nun auf den genuteten Rotor H. Seine Nuten können für bescheidene Ansprüche einfach als gerade Schlitze ausgebildet sein. Günstiger ist jedoch die in Abb.3 angedeutete Form, deren Herstellung bei Verwendung geeigneter Fräser noch verhältnismäßig einfach ist. Durch diese Form wird erreicht, daß das aus den Düsen austretende Gas keine zu plötzliche Umlenkung ierfährt und nach Durchtritt durch die Turbine keine Rotationsenergie mehr besitzt, zwei Tatsachen, die zu einem günstigen Wirkungsgrad der Turbine beitragen. Der Körper des Rotors kann beispielsweise aus V 12 C-Stahl hergestellt werden, ein Material, das auch bei den tiefen - Betriebstemperaturen noch genügend Zähigkeit und Festigkeit besitzt.An exemplary embodiment is given by FIG. The gas to be expanded, e.g. B. Air, enters at A. In the filter 13 impurities that could clog the nozzles of the turbine are retained. The cleaned air collects in space C and from here enters the distribution space E through individual, relatively wide bores D. From here it flows to the actual nozzles N. Its wall is formed on the one hand by the central bore of the stator body F, which initially narrows in the shape of a nozzle, then is cylindrical for a short length and eventually widens conically again. The other wall of the nozzles is formed through the inner body 0, which is connected to the stator by a thread and lock nut. The upper part of this inner body carries the multi-start, short threaded piece, through which the desired twisting movement is imposed on the gas flowing upwards. Lying gas jets now hit the grooved rotor H. Its grooves can simply be designed as straight slots for modest requirements. However, the shape indicated in Fig. 3 is more favorable, the production of which is still relatively simple with the use of suitable milling cutters. This shape ensures that the gas emerging from the nozzles does not deflect too suddenly and has no more rotational energy after passing through the turbine, two facts which contribute to a favorable efficiency of the turbine. The body of the rotor can, for example, be made of V 12 C steel, a material that still has sufficient toughness and strength even at low operating temperatures.

Bei der Anordnung der die Rotationsenergie in elektrische Energie umsetzenden Teile, d. h. bei der Koppelung der Turbine mit dem @elektrischen Generator, muß auf drei Punkte geachtet werden: i. Der Läufer des Generators muß so mit dem Rotor der Turbine verbunden werden, daß die Figurenachse der beiden zusammen rotierenden Körper der Achse des größten Trägheitsmomentes entspricht, die nach obigem eine stabile Drehachsie darstellt.When arranging the rotational energy into electrical energy transferring parts, d. H. when coupling the turbine with the @electrical generator, There are three points to consider: i. The rotor of the generator must so with the The turbine rotor is connected so that the figure axis of the two rotating together Body corresponds to the axis of the greatest moment of inertia, which according to the above one represents stable axis of rotation.

2. Für den Läufer des Generators kommen nur Ausführungsarten ohne Schleifring oder Kommntatoren in Frage, so also z. B. Kurzschlußläufer oder für die Abnahme geringer elektrischer Leistungen permanente Magnete.2. For the rotor of the generator, there are only versions without Slip ring or commntators in question, so z. B. squirrel cage or for the decrease in low electrical power permanent magnets.

3. Um die Verluste und die Erwärmung des Gases durch Wirbelströme herabzusetzen, müssen größere zusammenhängende Metallmassen im Bereich des Feldes des Läufers vermieden werden. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, die Wicklungen des Ständers innerhalb des von der entspannten Luft erfüllten Raumes anzubringen und den Statorkörper der Turbine aus einem schlecht leitenden Material anzufertigen.3. About the losses and the heating of the gas by eddy currents to reduce the need for larger coherent metal masses in the area of the field of the runner can be avoided. For this reason it is advisable to use the windings of the stand within the space filled with the relaxed air and to manufacture the stator body of the turbine from a poorly conductive material.

In Abb. 2 ist angenommen, daß der Kurzschlußl.äuferJ, der mit dem Rotor H fest verbumden ist, in den Spulen I( des Ständers L Induktionsströme ierzeugt, deren Energie nach außen abgeleitet wird. Das entspannte Gas verläßt sodann bei M wieder die Apparatur.In Fig. 2 it is assumed that the squirrel-cage rotor J, which is firmly connected to the rotor H, generates induction currents in the coils I (of the stator L , the energy of which is diverted to the outside. The relaxed gas then leaves the apparatus again at M. .

Bisher war angenommen worden, daß die Turbine im wesentlichen zur Kälteerzeugung für Luftverflüssigungs- und Zerlegungsanlagen benutzt werden soll. Es liegt aber auf der Hand, daß sich unter Umständen eine derartige Anordnung mit Vorteil auch dann anwenden läßt, wenn aus komprimierten Gasen oder Dämpfen Arbeit gewonnen werden soll, da auch: dann zahlreiche der obererwähnten Vorteile der beschriebenen Turbinenart -,veiterhin bestehen bleiben.So far it had been assumed that the turbine was essentially for Refrigeration is to be used for air liquefaction and separation plants. It is obvious, however, that such an arrangement may arise Advantage can also be used when working from compressed gases or vapors is to be gained, because also: then numerous of the above-mentioned advantages of the described Turbine type -, will continue to exist.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Turbine for the expansion of gases for the purpose of Cold generation, in particular for the provision of air liquefaction necessary cold, characterized in that the turbine rotor by the forces of the Gas flow held in its position and the adjustment of its axis only by gyroscopic forces is forced.

2. Turbine according to claim i, characterized in that the axis of rotation of the rotor coincides with the axis of its greatest moment of inertia.

3. turbine according to claims i and 2, characterized in that the rotor (H) is essentially is designed in the form of a flat cone, which is in a hollow cone of the stator (F) with a smaller opening angle due to the gases emerging from the nozzles (N); which form a cup-shaped gas cushion, is kept in equilibrium, the Gas is essentially expanded in the nozzles of the stator. ¢.

Turbine according to claim i to 3, characterized in that the gas flow in the rotor from the inside to the outside he follows.

5. Turbine according to claim i to q., Characterized in that; marked that the grooves of the rotor are designed in the form of circular arcs according to Fig. 3.

6. Turbine according to claim i to 5, characterized in that the rotor (J) of a generator is rigidly connected to the rotor (H) of the turbine in such a way that the axis of the greatest moment of inertia of these two bodies coincides with the common axis of rotation.

7. Turbine according to claim i to 6, characterized in that the rotor of the generator is designed as a squirrel cage or for low power as a permanent magnet. B. turbine according to claim i to 7, characterized in that the to be relaxed Gas is filtered before it enters the stator nozzles.