Expansionsturbine mit von ihr angetriebener Bremsvorrichtung Die Erfindung betrifft eine zur Kühlung gas förmigen Mediums bestimmte Expansionsturbine mit von ihr angetriebener Bremsvorrichtung, wobei die gemeinsame Welle gasgelagert ist.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Wellen lagerungen von hochtourigen Expansionsturbinen mit Rotoren von verhältnismässig geringem Gewicht mit einer Drehzahl von beispielsweise 10 000 bis 300 000 pro Minute und mehr.
Die Erfindung besteht darin, dass mehrere zwi schen dem festen Lagerteil und der Welle ange brachte, dem Wellenumfang angepasste, segmentartig ausgebildete Tragglieder für die Welle angeordnet sind und dass zu deren Aufnahme im festen Lager teil den Traggliedern in der Form angepasste, eben falls zylindrisch geformte Ausnehmungen dienen, und in dem festen Lagerteil zu den Ausnehmungen füh rende Kanäle zur Einspeisung von Druckgas ange ordnet sind, und ist ferner gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, mittels welcher der Gasdruck mit steigender Drehzahl der Welle vergrössert und mit abfallender Drehzahl verringert wird, derart,
dass sich zwischen den Traggliedern und den Ausnehmun- gen hydrostatische und zwischen den Traggliedern und der drehenden Welle ein hydrodynamisches La ger ausbildet, so dass die Tragglieder im Gas schweben.
Bei der Erfindung wird auf Grund der teils hydrodynamisch und teils hydrostatisch ausgebilde ten Gaslagerung ein stabiles Im-Gas-Schweben der Tragglieder erzielt, da sich die Stellung der letzteren im Gas selbsttätig einreguliert, sobald im Betrieb Druckgas in die Lagerspalte zwischen den Traggliedern und Ausnehmungen im festen Lager teil eingeleitet wird, und zwar in der Weise, dass der Druck des Einspeisegases entsprechend der Dreh zahl der Welle reguliert wird.
Würde man schon beim Anfahren der Turbine in die Spalte zwischen Aus- nehmungen und Traggliedern Gas von der Druck höhe einspeisen, die erst nach Hochlaufen der Tur binen erforderlich ist, so könnten unter Umständen die Tragglieder auf Grund dessen, dass sich bei niedrigeren Drehzahlen noch kein hydrodynamisches Lager von ausreichender Tragfähigkeit zwischen den Traggliedern und der Welle ausgebildet hat, an die Welle angepresst werden und bremsend wirken.
Auf Grund der erfindungsgemässen Regelung des Einspeisedruckes des Gases derart, dass mit steigender Drehzahl der Gasdruck vergrössert wird, wird erreicht, dass die von den hydrostatischen Lagern auf die einzelnen Tragglieder ausgeübten Kräfte nicht grösser als die Kräfte sind, die vom sich zwischen der Welle und den Traggliedern aufbauenden hydrodynami schen Lager auf die Tragglieder ausgeübt werden. Dadurch wird erzielt, dass die Tragglieder unabhän gig von der Wellendrehzahl im Gas schweben.
Denn auch bei plötzlich sinkender Drehzahl, die beispiels weise bei einer Druckschwankung auf der Turbinen seite auftreten kann, wird der Einspeisedruck des Lagergases entsprechend gesenkt, so dass auch in diesem Fall die auf die Tragglieder ausgeübten Kräfte vom hydrostatischen und hydrodynamischen Lager sich im Gleichgewicht befinden.
Bei Anwendung der Erfindung auf eine Expan sionsturbine mit einem Verdichter als Bremsvor richtung, wobei der Verdichter in einem geschlos senen Gaskreislauf liegt, der durch gleiches Gas ge bildet wird wie die die Turbine durchsetzende Strö mung, wird vorteilhaft das Druckgas direkt aus der Druckseite des Verdichters in die Einspeisekanäle des Lagers eingeleitet, da die Anfahrcharakteristik eines Verdichters die Bedingungen für den Druckauf bau im hydrostatischen Gaslager erfüllt. In diesem speziellen Fall wirkt der Verdichter selbst als Regel- einrichtung für den Gaslagerdruck. Unter Umständen kann es zweckmässig sein,
noch zusätzlich in einer Verbindungsleitung zwischen der Druckseite des Ver dichters und den Einspeisekanälen ein einstellbares Drosselorgan anzuordnen. Dieses Drosselorgan kann, wenn es erforderlich erscheint, noch zusätzlich in Abhängigkeit von einer Messeinrichtung der Wellen drehzahl gesteuert werden.
Im Fall, dass die Speisung des Gaslagers von einer fremden Gasquelle erfolgt, wobei das Gas der fremden Quelle das gleiche Gas wie das die Expansionsturbine durchsetzende sein kann, wird in der Verbindungsleitung zwischen ihr und den Ein speisekanälen ein einstellbares Drosselorgan ange ordnet, das in Abhängigkeit von einer Messeinrich- tung für die Wellendrehzahl gesteuert wird. Die Er findung wird anhand der in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiele im folgenden erläutert.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Expansionsturbine mit einem von ihr angetriebenen Verdichter, der in einem geschlossenen Kreislauf liegt, während Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Verdichter und das Gaslager und die Fig. 3 einen Querschnitt längs der Schnittlinie 1-I durch die Einrichtung zeigt.
In der Fig. 4 ist ein Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Lagerung mit drei Traggliedern dargestellt, während die Fig.5 eine vergrösserte Teildarstellung des in der Fig. 4 dargestellten Horizontalschnittes zeigt. Die Fig.6 zeigt eine Expansionsturbine, deren mechanische Leistung von einem von ihr ange triebenen Generator abgeführt wird, wobei das Gas lager aus einer fremden Gasquelle gespeist wird.
In der Fig.7 ist der Pick-up zur Messung der Wellendrehzahl im Schnitt dargestellt.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In der Fig. 1 sitzt der Rotor einer Turbine 1, die im Gas-, z. B. Wasserstoff- oder Heliumkreislauf 2 einer Tiefkälteanlage liegt, auf der gleichen Welle 3 wie der Rotor eines zugehörigen Turboverdichters 4. Der Verdichter 4 liegt mit seiner Saugseite 5 und seiner Druckseite 6 in einem geschlossenen, aus gleichem Gas wie Kreislauf 2 bestehenden Gas kreislauf 7, der ein Drosselorgan 8 mit einstellbarem Durchlassquerschnitt und einen Wasserkühler 9 ent hält. Über den Kühler wird die von der Turbine an den Verdichter und von diesem durch Kompression an das Gas übertragene Energie nach aussen abge führt, so dass das Gas gekühlt wird.
Das Gaslager 10 der Welle, von dem in der Zeichnung nur eines der über den Umfang der Welle verteilt angeordneten Tragglieder 11 zu sehen ist, ist zur Einspeisung mit Druckgas mit dem Ringraum 12 des Verdichters mittels eines Kanals 13 verbunden, der in die längs der Welle angeordneten Einspeisekanäle 14 mündet. In dem Verbindungskanal 13 ist ein einstellbares Drosselventil 15 angeordnet, das bei konstanter Ein- Stellung eine Druckreduktion bewirkt. Die Lageraus trittsseiten sind mittels einer Leitung 16 und einer an einen Ringraum 17 angeschlossenen Leitung 18, welche in die Leitung 16 mündet, mit der Saugseite 5 des Verdichters 4 verbunden.
Zur axialen Gas lagerung der Tragglieder, bei vertikaler Anordnung des Aggregates Turbine-Verdichter in der darge stellten - Weise, ist an den Ringraum 12 des Ver dichters eine Leitung 19 angeschlossen, die in den Spalt zwischen den dem Verdichter zugewendeten Stirnflächen der Tragglieder und dem an den Ver dichter angeschlossenen festen Lagerteil mündet. Zur Einstellung des Einspeisedruckes ist in der Leitung 19 ein Drosselventil 20 angeordnet. Zur gegenseitigen Abdichtung der Turbine und des Verdichters dienen die Labyrinthdichtungen 21 und 22.
Wie durch die strichpunktierte Linie schematisch angedeutet, kann, während die sich oberhalb von ihr befindende Tur bine 1 unter der tiefen Betriebstemperatur der Kälte anlage steht, der Verdichter 4 und der Kreislauf 7 sowie das Gaslager 10 unter Umgebungstemperatur, beispielsweise + 20 C, stehen.
In der Fig.2 wird ein Längsschnitt durch das Gaslager und den Verdichter einer im wesentlichen mit der Fig. 1 übereinstimmenden Ausführungsform der Erfindung im Detail gezeigt. Abweichend von der Fig. 1, bei der im Verbindungskanal 13 ein Drosselorgan 15 angeordnet ist, sind in Fig. 2 diesem Organ entsprechende Drosselstellen 30 in die Ein speisekanäle 14 des festen Lagerteils 31 verlegt. Der Verbindungskanal 13 mündet in einen diesen festen Lagerteil umgebenden Ringraum 32, der mit den in die Spalte zwischen den Traggliedern und dem festen Lagerteil einmündenden Einspeisekanälen 14 verbunden ist. In der Zeichnung ist nur ein Ver bindungskanal 13 eingetragen.
Grundsätzlich ist es selbstverständlich möglich, zwischen dem Ringraum 12 und dem Ringraum 32 auch mehrere Ver bindungskanäle anzuordnen.
Wie aus dem in Fig. 3 dargestellten Querschnitt hervorgeht, besteht das Gaslager bei dieser Aus führungsform aus fünf über den Wellenumfang ver teilt angeordneten Traggliedern. Das Druckgas für die axiale Lagerung der Tragglieder wird aus dem Ringraum 12 über die Kanäle 13 und 19 über einen Ringraum 33 durch die Einspeisekanäle 34 zuge führt, wobei die letzteren über Drosselstellen 35 in die Spalte zwischen dem festen Lagerteil 36 und den Stirnflächen der Tragglieder führen.
Zur Ableitung des Lagergases aus dem Spalt zwischen Welle und Traggliedern bzw. zwischen Welle und dem festen Lagerteil 31 ist am unteren Ende ein in den Ringraum 17 mündender Ver bindungskanal 18 angeordnet. Ein den Lagerteil 31 umgebender Ringraum 37 ist mit dem oberen Ende des Lagerspaltes durch Durchtrittsöffnungen 38 für den Austritt des Lagergases verbunden und an seinem unteren Ende mit der auf die Saugseite des Ver dichters 4 zurückführenden Leitung 16 versehen. Mit der Bezugsziffer 39 sind die Dichtungsringe bezeichnet, welche die einzelnen Räume in den festen Lagerteilen gegeneinander abdichten.
In der Fig.4 ist ein Horizontalschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgebildete Lagerung mit drei Traggliedern dargestellt, während die Fig.5 eine vergrösserte Teildarstellung des in der Fig.4 dar gestellten Horizontalschnittes mit einer geringen Ab wandlung in der Zuführung des Lagergases zeigt.
In der Fig. 4 sind zwischen einem festen Lagerteil 31 und der Welle 3 gegenüber dem Wellenumfang verteilt angeordnete Tragglieder 11 benutzt. Die Tragglieder, die vorteilhaft aus selbstschmierendem Material, z. B. Graphit, bestehen, sind in zylindri schen Ausnehmungen 40 des Lagerteils 31 unter gebracht, in welche die Kanäle 14 zur Zuführung von Druckgas münden, während in dem Lagerteil 31 Kanäle 41 zum Abführen des Lagergases angeordnet sind. Die Glieder sind auf den den Ausnehmungen 40 zugekehrten und auf den der Welle 3 zugekehrten Seiten ebenfalls mit passenden zylindrischen Flächen 42, 43 versehen und um die Achsen 44 der durch die Flächen 42 gebildeten Zylinder drehbar.
Jedes Glied 11 besitzt an dem einen Ende seiner der Welle 3 zugekehrten Tragfläche 43 eine Ausnehmung 45, die achsparallel verläuft und sich über einen Teil der Tragfläche 43 erstreckt. Betrachtet man eines der beiden unteren Tragglieder, so wird durch die Ausnehmung 45 die bei vollkommen symmetri scher Ausbildung der Glieder bei 44 liegende achs- parallele Mittellinie der Zylinderfläche 43 aus der ebenfalls bei 44 liegenden Drehachse der Glieder 11 heraus verlegt, und zwar derart, dass bei Auslenkung der Welle 3 (vgl.
Fig. 5) die Resultierende der von dem keilförmig sich von rechts nach links verjüngen den Spalt 46 herrührenden Druckkräfte ständig durch die Drehachse 44 geht, so dass eine entsprechend den Kippelementen bei Mitchell-Lagern ähnliche Trag bewegung und eine stabile Stellung der Glieder 11 im Rahmen der um Achse 44 möglichen Drehung entsteht.
Während des Betriebes sind die Glieder 11 von dem in die Spalte 47 eingeleiteten Druckgas getragen, das heisst, es bildet sich im Spalt 47 ein hydrostati sches Gaslager aus. In den Spalt 46 wird das Gas durch seine Viskosität und infolge der Drehung der Welle 3 eingesaugt, so dass sich zwischen Welle und Traggliedern ein hydrodynamisches Gaslager aus bildet.
Erfindungsgemäss wird der Druck, mit wel chem das Gas in die Lagerspalte 47 eingeleitet wird, entsprechend der Wellendrehzahl geregelt, entweder dadurch, dass die Einspeisekanäle mit dem Ring raum 12 des Verdichters in Verbindung stehen, wie die in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsformen zeigen, oder durch Regelung eines in der Ver bindungsleitung zu den Einspeisekanälen liegenden Drosselorganes, das in Abhängigkeit von einer Mess- einrichtung der Wellendrehzahl gesteuert wird, wenn das Lager mit Gas aus einer fremden Gasquelle gespeist wird (vgl. Fig. 6).
Die Einleitung von Druckgas in die Spalte zwi schen Tragglieder und festem Lagerteil bewirkt die Ausbildung eines Gaspolsters, auf welchem die Trag glieder in den Ausnehmungen schweben. In den zwischen der Welle und den Traggliedern gebildeten Spalt wird aus dem hydrostatischen Lager Gas durch seine Viskosität und infolge der Drehung der Welle 3 eingesaugt, was der Ausbildung eines sogenannten hydrodynamischen Gaslagers entspricht.
Ausser dem Vorteil eines geringen Gasverbrauches in den Lager spalten wird auf Grund der erfindungsgemässen La gerung ein stabiles Im-Gas-Schweben der Trag glieder erzielt, da durch die von der Wellendrehzahl abhängige Drucksteuerung bewirkt wird, dass die Kräfte, die einerseits von dem Gas im Spalt 46 und anderseits von dem Gas im Spalt 47 auf die einzelnen Tragglieder ausgeübt werden, entgegen gesetzt gleich sind, sogar schon beim Anfahren der Turbine.
Bei Anwendung des dargestellten Lagers auf eine Ausführungsform mit Verdichter als Brems vorrichtung sind die Kanäle 41 für die Ableitung des Lagergases an die Saugseite des Verdichters geführt (vgl. Fig. 1, 2 und 3), während bei Speisung des Lagers aus einer fremden Gasquelle die Kanäle 41 beispielsweise direkt mit der Atmosphäre ver bunden sein können. Wenn aus irgendeinem Grund die Welle mit ihrer Achse 48 eine Zusatzrotation um die bei der Darstellung gemäss Fig.4 ebenfalls bei 48 liegende Lagerachse ausführen sollte, so nähert sie sich dabei wechselweise einem der Glieder 11. Das betreffende Glied kann in diesem Fall sowohl in radialer Richtung nach aussen unter Annäherung der Flächen 40, 42 ausweichen, als sich um die Achse 44 in der einen oder anderen Richtung drehen.
Wandert die Welle 3 während der Zusatzrotation etwa an der inneren Tragfläche 43 des Gliedes vorbei, so verschwenkt sich dieses entsprechend um seine Achse 44, bis sich die Welle wieder von dem Glied unter Vergrösserung von Spalt 46 entfernt und gleichzeitig dem folgenden Glied nähert.
Bei anderen Ausführungsformen liegt die Dreh achse 44 etwas anders. Ihre Lage kann hierbei auf dem durch die Achsen 48, 44 gehenden Radius 49 liegen.
In der Fig. 5 ist im Rahmen einer Zusatzrotation, die bekanntlich bei einer Wellendrehzahl von etwa dem doppelten Betrag der kritischen Lagerfrequenz auftritt, oder für eine andersartig bewirkte Aus lenkung der Wellenachse 48 ein Momentbild wieder gegeben, bei dem die Welle 3, deren Drehrichtung durch den Pfeil 50 markiert ist, mit ihrer Achse 48 aus der Lagerachse A herausgerückt ist. Dabei be findet sich der Umfang 51 der Welle in der aus gezogenen Stellung, während er sich, wenn die Welle keine Zusatzrotation ausführt und die Achsen 48 und A zusammenfallen, in der gestrichelten Stellung 52 befindet.
Das Glied 11 hat sich ferner um Achse 44 in die dargestellte stabile Stellung verschwenkt, in der die Tragfläche 43 die ausgezogen wieder- gegebene Lage einnimmt. Mittelachse der dieser Lage entsprechenden Zylinderfläche ist die Achse B, die aus der ursprünglichen, mit der Lagerachse A zu sammenfallenden Lage auf dem um 44 beschriebenen Kreis 53 in der Figur nach rechts gerückt ist. In der ursprünglichen, gestrichelt eingezeichneten Stel lung 54 der Tragfläche 43 liegt die zugehörige Mittelachse in der Lagerachse A.
In Fig.5 wird das Lagergas in die Spalte 47 über je zwei Einspeisekanäle 14a und 14b ein- geleitet. Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Er findung, bei der die Turbine 1 mit einem Generator 60 zur Vernichtung der von ihr erzeugten mechani schen Energie verbunden ist. Die vom Generator erzeugte elektrische Leistung wird von Klemmen 60a und 60b an einen Verbraucher abgeführt. Das Gaslager 10 wird von einer fremden Gasquelle, beispielsweise aus einer Druckgasflasche 61, gespeist. Zweckmässig wird als Gaslager das gleiche Gas wie das die Expansionsturbine durchströmende verwen det.
Das Lagergas kann auch beispielsweise als Teil strom von der Druckseite des Hauptkompressors der Kälteanlage, von der die Expansionsturbine einen Teil bildet, entnommen werden. Das Lagergas wird aus einer Druckflasche 61 über eine Leitung 62 den Einspeisekanälen 14 des Lagers zugeführt. In der Leitung 62 ist ausser einem Reduzierventil 63 zur Konstanthaltung des Druckes in Leitung 62 selbst ein Drosselventil 64 angeordnet, das in er findungsgemässer Weise über eine Messeinrichtung für die Wellendrehzahl gesteuert wird.
Da das Aggregat Turbine-Generator horizontal angeordnet ist, sind die Tragglieder 11 des Gaslagers beidseitig axial gasgelagert. Diese Axiallager 65 und 66 werden über Leitungen 67 und 68 und die Ring räume 33 mit Gas aus der Druckgasflasche 61 versorgt. Das in der Leitung 67 angeordnete Drossel ventil 69 dient zur Reduktion des Druckes in Leitung 62 auf den gewünschten Lagerdruck in den Axial lagern 65 und 66.
Zur Messung der Wellendrehzahl ist am Rotor des Generators 60 ein Wellenstumpf 70 angebracht, dessen kreisförmiger Querschnitt auf zwei gegen überliegenden Seiten Ausfräsungen besitzt (vgl. Fig. 7). Generator und Element 70 sind in geschlos sener Bauweise ausgeführt. Oberhalb der Welle 70 ist ein sogenannter Pick-up 71 angeordnet, der im wesentlichen aus einem von einer elektrischen Spule umschlossenen Magnetkern besteht. Bei Drehung der Welle wird auf Grund des sich periodisch verändern den Gasspaltes zwischen Element 70 und dem Magnetkern des Pick-ups 71 in der elektrischen Spule eine Wechselspannung induziert, deren Fre quenz eine Funktion der Wellendrehzahl bildet.
In einem Wandler 72 wird die Wechselspannung in eine der Frequenz entsprechende Gleichspannung umge wandelt. Diese Gleichspannung dient zur Steuerung eines elektropneumatischen Wandlers 73 bekannter Bauart, an welchen eine Druckluft-Zu- und -Ab- führung 74 und 75 angeschlossen sind. Über eine Steuerleitung 76 wird dann das Drosselorgan 64 ent sprechend der Wellendrehzahl verstellt und somit eine von der Wellendrehzahl abhängige Steuerung des Lagergasdruckes bewirkt.
Anstelle der hier ge zeigten Steuerungseinrichtung des Drosselorganes in Abhängigkeit von der Wellendrehzahl können selbst verständlich auch andere übliche Ausführungsformen für Drucksteuerungen in Abhängigkeit von einer Wellendrehzahl angewendet werden. Die Austritts seite des Wellenlagers ist bei der dargestellten Aus führungsform direkt mit der Atmosphäre verbunden. Bei Verwendung des gleichen Gases für das Wellen lager wie das die Turbine durchsetzende Mittel, kann beispielsweise auch die Lagerau strittsseite mit der Niederdruckseite der Kälteanlage, von der die Turbine einen Bestandteil bildet, verbunden sein.