DE10310678B3

DE10310678B3 - Expansionsturbinenstufe

Info

Publication number: DE10310678B3
Application number: DE10310678A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Bosen
Original assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Current assignee: Atlas Copco Energas GmbH
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: US20040216466A1; FR2852353A1; US6948320B2; FR2852353B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansionsturbinenstufe für Druckgase mit einem Gehäuse (1) und einem Turbinenlaufrad (2). Das Gehäuse (1) weist Strömungsführungskanäle (3) für eine Zufuhr des Druckgases zum Turbinenlaufrad (2) auf. Dem fliegend gelagerten und zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad (2) ist ein vom Gehäuse (1) umschlossener Abströmdiffusor (6) zur Verzögerung des kalten expandierten Gases nachgeschaltet. Erfindungsgemäß ist der Abströmdiffusor (6) als separates Bauteil in einer Aufnahmebohrung (7) im Gehäuse (1) angeordnet. Zur thermischen Isolierung des Gehäuses (1) gegenüber dem kalten expandierten Gasstrom besteht der Abströmdiffusor (6) aus einem nichtmetallischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Expansionsturbinenstufe für Druckgase mit einem Gehäuse und einem Turbinenlaufrad, wobei das Gehäuse Strömungsführungskanäle für eine Zufuhr des Druckgases zum Turbinenlaufrad aufweist und wobei dem fliegend gelagerten und zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad ein vom Gehäuse umschlossener Abströmdiffusor zur Verzögerung des kalten expandierten Gases nachgeschaltet ist.
Bei den in der Praxis bekannten Expansionsturbinenstufen mit den eingangs beschriebenen Merkmalen besteht das Problem, dass bei großen Temperaturunterschieden zwischen dem eintretenden Druckgas und dem aus dem Turbinenlaufrad austretenden expandierten Gas eine Wirkungsgradminderung aufgrund eines Wärmeaustausches zwischen diesen beiden Gasströmen durch Wärmeleitung in der Turbine vorliegt. Problematisch ist hierbei insbesondere der Wärmetransport in den Abströmdiffusor aus dem Gehäuse heraus. Hierbei wird einerseits der expandierte Gasstrom aufgeheizt und gleichzeitig der in das Turbinenlaufrad eintretende Druckgasstrom abgekühlt. Der beschriebene Wärmebypass verringert die Enthalpiedifferenz zwischen den beiden Strömen, wodurch die am Turbinenlaufrad gewonnene technische Arbeit und damit der Turbinenwirkungsgrad reduziert wird. Diese Problematik ist besonders bei sehr niedrigen, insbesondere kryogenen Temperaturbereichen von Bedeutung, in denen Turbinenstufen der beschriebenen Gattung häufig eingesetzt werden. So treten beispielsweise bei Turbinenstufen in Luftzerlegungsanlagen Temperaturdifferenzen von bis zu 150°K zwischen der Eintritts- und der Austrittsströmung hervor.
Aus der Druckschrift DE 37 15 225 A1 ist eine bei kryogenen Temperaturen betriebene Entspannungsturbine bekannt, bei der ein dem Turbinenlaufrad nachgeschalteter Leitkörper stirnseitig an einer Bodenplatte eines Topfes befestigt ist, der das Laufrad und das Leitelement umgibt. Zur Isolierung der Turbinenstufe gegenüber der Umgebung ist der freie Innenraum des Topfes mit Isoliermaterial ausgefüllt. Der Wärmeaustausch zwischen ein- und austretendem Gasstrom wird hierdurch jedoch nicht beeinflusst.
Aus der Druckschrift JP 03191262 A ist eine Tieftemperaturkompressionsstufe bekannt, die ein Isolierelement zur Minimierung der Erwärmung des eintretenden Kaltgasstromes durch die der Umgebung ausgesetzten Bauteile der Stufe aufweist. Zur Lösung der eingangs beschriebenen Problematik liefert auch dieses Isolierelement keinen Beitrag.

Vor dem Hintergrund des erläuterten Problemes besteht die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe darin, den Wirkungsgrad einer Expansionsturbinenstufe zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Expansionsturbinenstufe für Druckgase mit einem Gehäuse und einem Turbinenlaufrad, wobei das Gehäuse Strömungsführungskanäle für eine Zufuhr des Druckgases zum Turbinenlaufrad aufweist, wobei dem fliegend gelagerten und zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad ein vom Gehäuse umschlossener Abströmdiffusor zur Verzögerung des kalten expandierten Gases nachgeschaltet ist und wobei der Abströmdiffusor als separates Bauteil in einer Aufnahmebohrung im Gehäuse angeordnet ist und zur thermischen Isolierung des Gehäuses gegenüber dem kalten expandierten Gasstrom aus einem nichtmetallischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht. Durch diese Maßnahme wird der Wärmetransport zwischen dem eintretenden und dem austretenden Gasstrom erheblich reduziert. Einerseits wird die Erwärmung des expandierten Gases deutlich abgeschwächt, so dass dieses eine sehr niedrige Enthalpie aufweist. Andererseits wird die Abkühlung des zugeführten Druckgasstromes ebenfalls deutlich reduziert, so dass dieser eine sehr hohe Enthalpie beim Eintritt in das Turbinenlaufrad aufweist. Die beiden Gasströme weisen daher eine sehr große Enthalpiedifferenz auf, die nach der Lehre der Thermodynamik die Gewinnung einer entsprechend großen technischen Arbeit ermöglichen. Die Irreversibilitäten durch Wärmeleitung in der Expansionsturbinenstufe werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme erheblich verringert, so dass sich eine Annährung an den isentropen Idealfall ergibt. Im Ergebnis erlaubt die Erfindung eine deutliche Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades.

Vorzugsweise besteht der Abströmdiffusor aus einem Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2 W/(mK). Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht der Kunststoff aus einem für Tieftemperaturanwendungen geeigneten Polyolefin, insbesondere einem Polyethylen oder Polyethylencopolymer mit ultra-hoher Molmasse (PE-UHMW). Dieser Kunststoff weist auch bei kryogenen Turbinenabgastemperaturen von bis zu -200°C eine ausreichende Zähigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Dies ist insbesondere beim Einsatz der Turbinenstufe in Luftzerlegungsanlagen von Vorteil.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Expansionsturbinenstufe.
In der Figur ist eine Expansionsturbinenstufe für Druckgase mit einem Gehäuse 1 und einem Turbinenlaufrad 2 dargestellt. Das Gehäuse 1 weist Strömungsführungskanäle 3 und daran stromabwärts angeschlossene Düsen 4 für eine Zufuhr des Druckgases zum Turbinenlaufrad 2 auf. Dem auf einem fliegenden Wellenende 5 angeordneten und zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad 2 ist ein vom Gehäuse 1 umschlossener Abströmdiffusor 6 zur Verzögerung des kalten expandierten Gases nachgeschaltet. Der Diffusor 6 erstreckt sich koaxial zum Turbinenlaufrad 2 in Verlängerung des Wellenendes 5. Der Abströmdiffusor 6 ist als separates Bauteil in einer Aufnahmebohrung 7 im Gehäuse 1 angeordnet. Zur thermischen Isolierung des Gehäuses 1 gegenüber dem kalten expandierten Gasstrom besteht der Abströmdiffusor 6 aus einem nichtmetallischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Der Wärmetransport zwischen dem eintretenden und dem austretenden Gasstrom durch Wärmeleitung im Gehäuse 1 und im Abströmdiffusor 6 wird hierdurch deutlich reduziert. Einerseits kann eine Erwärmung des expandierten Gasstromes verhindert werden, so dass dieser eine sehr niedrige Enthalpie aufweist. Andererseits kann auch eine Abkühlung des zugeführten Druckgases durch Wärmeleitung weitgehend ausgeschlossen werden, so dass dieses eine sehr hohe Enthalpie beim Eintritt in das Turbinenlaufrad 2 aufweist. Zwischen den beiden Gasströmen liegt damit eine große Enthalpiedifferenz vor, die die Gewinnung einer großen technischen Arbeit an der Turbinenwelle 8 erlaubt. Irreversibilitäten durch Wärmeleitung werden deutlich abgesenkt, so dass sich der Betrieb der Turbinenstufe an den isentropen Idealfall annähert. Die Turbinenstufe zeichnet sich daher durch einen hohen Turbinenwirkungsgrad aus.
Der Abströmdiffusor 6 besteht aus einer Polyethylenverbindung mit ultra-hoher Molmasse (PE-UHMW), die eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2 W/(mK) aufweist. Dieser Kunststoff zeichnet sich außerdem dadurch aus, dass er auch bei Temperaturen von bis zu -200°C eine ausreichende Zähigkeit und Verschleißfestigkeit aufweist. Dies ist insbesondere bei Luftzerlegungsanlagen von Bedeutung, in denen die beschriebene Expansionsturbinenstufe sehr häufig eingesetzt wird.
Im Ausführungsbeispiel ist der Abströmdiffusor 6 lediglich im Strömungseintrittsbereich 9 über Zylinderstifte 10 fest mit dem Gehäuse 1 verbunden. Relativbewegungen zwischen dem Diffuser 6 und dem metallischen Gehäuse 1 sind möglich, so dass ein Aufbau von Wärmespannungen während der Abkühlung auf die tiefen Betriebstemperaturen vermieden werden können. Zwischen der Aufnahmebohrung 7 und dem Abströmdiffusor 6 ist ein Luftspalt 11 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel beschränkt sich der Kontakt zwischen Diffusor 6 und Bohrung 7 auf die beiden Endbereiche des Diffusors 6. Der Luftspalt 11 führt zu einer weiteren Reduzierung des Wärmetransportes zwischen ein- und austretendem Gasstrom.

Claims

Expansionsturbinenstufe für Druckgase mit einem Gehäuse (1) und einem Turbinenlaufrad (2), wobei das Gehäuse (1) Strömungsführungskanäle (3) für eine Zufuhr des Druckgases zum Turbinenlaufrad (2) aufweist, wobei dem fliegend gelagerten und zentripetal durchströmten Turbinenlaufrad (2) ein vom Gehäuse (1) umschlossener Abströmdiffusor (6) zur Verzögerung des kalten expandierten Gases nachgeschaltet ist und wobei der Abströmdiffusor (6) als separates Bauteil in einer Aufnahmebohrung (7) im Gehäuse (1) angeordnet ist und zur thermischen Isolierung des Gehäuses (1) gegenüber dem kalten expandierten Gasstrom aus einem nichtmetallischen Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht.
Expansionsturbinenstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmdiffusor (6) aus einem Kunststoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2 W/(mK) besteht.
Expansionsturbinenstufe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmdiffusor aus einem für Tieftemperaturanwendungen geeigneten Polyolefin, insbesondere einem Polyethylen oder Polyethylencopolymer mit ultra-hoher Molmasse (PE-UHMW), besteht.