CS210974B1

CS210974B1 - Radial expansion microturbine

Info

Publication number: CS210974B1
Application number: CS894479A
Authority: CS
Inventors: Jan Hykrda; Oldrich Oslejsek; Zdenek Krivan
Original assignee: Jan Hykrda; Oldrich Oslejsek; Zdenek Krivan
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1979-12-18
Publication date: 1982-01-29

Abstract

Vynález se týká radiální expansní mikroturblny pracující v zařízení pro zkapalňování plynů zejména helia. Účelem vynálezu je navrhnout zařízení pro odvádění expansního výkonu z hřídele turbiny, přičemž toto zařízení musí pracovat při vysokých rychlostech a nesmí turbinu tepelně zatěžovat. Tohoto účelu se podle vynálezu dosáhne tím, že mikroturbina je opatřena vířivou brzdou s rotorem uloženým na hřídeli oběžného kola. K odvodu ztrát se využívá jednak kapaliny proudící kanálem na statoru uzavřeným vůči rotoru membránou tvořící vířivou kotvu, jednak pracovního plynu proudícího plynovými ložisky mikroturbíny, které pak protéká vzduchovou mezerou stroje, která tvoři kanál plynového chlazení.The invention relates to a radial expansion microturbine operating in a device for liquefying gases, especially helium. The purpose of the invention is to design a device for removing expansion power from the turbine shaft, while this device must operate at high speeds and must not thermally load the turbine. This purpose is achieved according to the invention by the microturbine being provided with a vortex brake with a rotor mounted on the impeller shaft. To remove losses, both the liquid flowing through the channel on the stator closed to the rotor by a membrane forming a vortex armature and the working gas flowing through the gas bearings of the microturbine, which then flows through the air gap of the machine, which forms a gas cooling channel.

Description

Vynález se týká radiální expansní mikroturbiny s'oběžným kolem neseným hřídelem uloženým v plynových ložiskách, zejména mikroturbiny uspořádané v zařízení pro zkapalňování plynů. ,The invention relates to a radial expansion microturbine with an impeller supported by a shaft mounted in gas bearings, in particular to a microturbine arranged in a gas liquefaction device. ,

Mikroturbiny pracující v zařízení pro zkapalňování plynů jsou pro odvádění expansního výkonu z hřídele stroje opatřeny brzdicím ústrojím a kompresorem, hydraulickým brzdícím ústrojím nebo elektrickým brzdicím ústrojím. Elektrické brzdící ústrojí má vhodné regulační a provozní vlastnosti.The microturbines operating in the gas liquefaction device are provided with a braking device and a compressor, a hydraulic braking device or an electric braking device to drive the expansion power from the machine shaft. The electrical braking system has suitable control and operating characteristics.

Z brzdicích ústrojí pracujících na elektrickém principu dává nejvýhodnější podmínky pro minimalizaci vzniku tepelné energie přímo ve skříni expansní mikroturbiny elektrický generátor přeměňující mechanickou energiii v energii elektrickou, která se vyvádí do zatěžovacího odporu vně tepelně izolovaného expansního stroje, aniž by jej tepelně zatěžovala. Přívod elektrické budicí energie do rotoru generátoru je však při daných obvodových rychlostech technicky nerealizovatelný, takže omezujícím faktorem provozního využití tohoto systému je mechanická pevnost rotoru s permanentními magnety.Of the electrical principle braking devices, the electrical generator converts mechanical energy into electrical energy, which is applied to the load resistor outside the thermally insulated expansion machine without thermal loading, providing the most favorable conditions for minimizing thermal energy directly in the expansion microturbine housing. However, the supply of electrical excitation energy to the generator rotor at a given peripheral speed is not technically feasible, so that the mechanical strength of the permanent magnet rotor is a limiting factor in the operational use of this system.

Elektrický generátor umožňiíje provoz pouze při nižší obvodové rychlosti a nižších otáčkách, než odpovídají optimálním obvodovým rychlostem oběžných kol radiálních centripetálních expansníoh turbin.The electric generator only allows operation at a lower peripheral speed and lower speed than the optimum peripheral speed of the radial centripetal expansion turbines.

Uvedené nevýhody jsou odstraněny u radiální expansní mikroturbiny podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že je opatřena vířivou brzdou s rotorem uloženým na hřídeli oběžného kola.These disadvantages are overcome by the radial expansion microturbine according to the invention, which is characterized in that it is provided with a eddy-current brake with a rotor mounted on the impeller shaft.

Tato vířivá brzda je s výhodou provedena tak, že rotor tvořený zubovým induktorem, je od statorového jha s budící cívkou oddělen membránou jako vířivou kotvou, membrána vymezuje na statoru kanál kapalinového chlazení a vůči rotoru kanál plynového chlazení napojený na alespoň jeden výstup pracovního plynu z plynových ložisek a ústící do odváděcího kanálu pracovního plynu.The eddy-current brake is preferably such that the rotor formed by the tooth inductor is separated from the stator yoke with the excitation coil by a diaphragm as a swirling anchor, the diaphragm defining a liquid cooling channel on the stator and a gas cooling channel connected to the rotor at least one working gas outlet and discharging into the working gas discharge channel.

Brzda tedy nemá složité rotující části, takže její otáčky nejsou omezeny mechanickými činiteli, k odvádění ztrát se využívá jednak plyn proudící ložisky, jednak chladicí kapalina, odvádějící současně ztráty z budicí cívky. Změnou buzení lze jednoduchým způsobem přizpůsobit zatěžující vířivou brzdu okamžitému výkonu mikroturbiny, přičemž celé tato regulace probíhá na statoru zařízení.Thus, the brake does not have complicated rotating parts, so that its speed is not limited by mechanical factors, for the dissipation of losses using both gas-flowing bearings and cooling liquid, which simultaneously dissipates losses from the excitation coil. By varying the excitation, the load whirl brake can be easily adapted to the instantaneous power of the microturbine, all of which is controlled by the stator of the device.

Příklad radiální expansní mikroturbiny podle vynálezu je uveden na přiloženém výkrese, na němž je nakreslen axiální řez celkem tvořeným mikroturbinou s vířivou brzdou.An example of a radial expansion microturbine according to the invention is shown in the accompanying drawing, in which an axial section of a whirl brake microturbine is shown.

Mikroturbina podle vynálezu mé oběžné kolo 6 uloženo letmo na osazené části 2 hřídele 1, které je svými čepy 2 uložen v plynových ložiscích j. Levé a pravé pouzdro 7 plynových ložisek j je opatřeno přívodem 8 tlakového, tepelného helia. Na hřídeli _L, mezi oběma plynovými ložisky j, je uspořádán rotor 28 stejnosměrné vířivé brzdy 29, tvořený zubovým induktorem, který je obklopen tělesem 14 brzdy, v němž je uloženo statorové jho 2 ^se souosou budicí cívkou 1 0. Aktivní část stejnosměrné vířivé brzdy, vířivou kotvu, tvoří elektricky vodivé membrána 11 . která vymezuje na statoru kanál 1 3 kapalinového chlazení a vůči rotoru 28 kanál 16 plynového chlazení.The microturbine according to the invention has an impeller 6 overhung on a shoulder part 2 of the shaft 1, which is supported by its pins 2 in gas bearings j. The left and right bushings 7 of the gas bearings j have a supply 8 of pressure, thermal helium. On the shaft 11 between the two gas bearings, there is arranged a rotor 28 of a DC eddy-current brake 29 formed by a gear inductor, which is surrounded by a brake body 14 housing a stator yoke 2 ^{with a} coaxial excitation coil 10. an electrically conductive diaphragm 11. which defines a liquid cooling channel 13 on the stator and a gas cooling channel 16 relative to the rotor 28.

Kanál 16 plynového chlazení je napojen na výstupy 30 pracovního plynu z plynových ložisek 2 a ústí do odváděcího kanálu 15 v tělese 14 brzdy. Kanál 13 kapalinového chlazení je dále ohraničen pólovými nástavci 12 magnetového tělesa 2 ^a budicí cívkou 10 stejnosměrné vířivé brzdy 29. Přívod 17 do kanálu 13 kapalinového chlazení a odvod 22 chladící kapaliny z kanálu 13 kaplinového chlazení jsou rovněž v tělese 14 brzdy. Pravé pouzdro 2 je spojeno se souosými dutými válci 19 ukončenými vnitřní přírubou 18The gas cooling duct 16 is connected to the working gas outlets 30 from the gas bearings 2 and flows into a discharge duct 15 in the brake body 14. The liquid cooling duct 13 is further delimited by the pole pieces 12 of the magnet body 2 ^{and the} drive coil 10 of the DC eddy brake 29. The inlet 17 to the liquid cooling duct 13 and the coolant drain 22 from the cooling channel 13 are also in the brake body 14. The right sleeve 2 is connected to the coaxial hollow cylinders 19 terminated by the inner flange 18

Plyn z prostoru 20 mezi válci 19 je vyčerpán, je tedy prostor 20 velmi Spatně tepelně vodivý. Vnější příruba 18 je spojena s nezakresleným kryogenním systémem zkapalňovače, vnitřní příruba .21 slouží k připojení přívodu potrubí 22 předběžně zchlazeného helia, rozvéděcího ústrojí 23 mikroturbiny a čelní desky 24 s difúzorem 25. ústícím do odvóděcího potrubí 26 expanzí podchlazeného média.The gas from the space 20 between the cylinders 19 is exhausted, thus the space 20 is very poorly thermally conductive. The outer flange 18 is connected to a non-illustrated cryogenic liquefier system, the inner flange 21 serving to connect a pre-cooled helium line 22, a microturbine distributor 23 and a faceplate 24 with a diffuser 25 extending into the drain line 26 by expanding the subcooled medium.

Popsaný celek pracuje tak, že stlačené a schlazené helium přitékající přívodním potrubím 22 přes rozváděči ústrojí 23 dostředivě na oběžné kolo 6 mikroturbiny, předává jí energii, která se přenáSí hřídelem J. do rotoru 28 stejnosměrné vířivé brzdy. Při otáčení rotoru 28 a v nabuzeném stavu se magnetický tok vstupující do zubů 4 rotoru 28 stále vůči membráně 11 otáčí a indikuje v ní vířivé proudy. Elektrický výkon se v membráně 11 mění na tepelný tok, který se musí na vnějěí straně membrány 11 odvádět chladicí kapalinou, například vodou, proudící v kanále 13 kapalinového chlazení kolem membrány 11.The described unit operates in such a way that compressed and cooled helium flowing through the supply line 22 through the distributor 23 concentrically on the impeller 6 of the microturbine, transmits it to the rotor, which is transmitted by the shaft 11 to the rotor 28 of the DC eddy. When the rotor 28 is rotated and in the energized state, the magnetic flux entering the teeth 4 of the rotor 28 is still rotating relative to the diaphragm 11 and indicates eddy currents therein. The electrical power in the diaphragm 11 is converted into a heat flow which must be removed on the outside of the diaphragm 11 by a cooling liquid, for example water, flowing in the liquid cooling channel 13 around the diaphragm 11.

Z vnitřní strany je membrána 11 chlazena proudem plynu v kanále 16 plynového chlazení, to jest proudem teplého helia, který současně odvádí teplo z rotoru 28, přestupující sem konvencí a sáláním ze statoru. Tok helia odnáší s sebou také poměrně veliké třecí ztráty vznikající v kanále 16 plynového chlazení. K profukování kanálu 16 plynového chlazení je s výhodou použito plynu vystupujícího z plynového ložiska J. Proudění plynu v kanále 1 6 plynového chlazení je možné uspořádat buá symetricky s odvodem helia uprostřed mezi zuby 4 rotoru 28 nebo jednostranně, kdy helium proudí tímto kanálem 16 jen z jedné strany, například z pravého plynového ložiska J do výfukového prostoru levého plynového ložiska J a společně do odvéděcího kanálu 1 5. jak zakresleno na obrázku, kde tenkými šipkami je zakreslen vstup a výstup chladicí vody a dvojitými Šipkami je zakreslen vstup a výstup chladného helia.From the inside, the diaphragm 11 is cooled by a gas stream in the gas cooling duct 16, i.e. a hot helium stream, which at the same time dissipates heat from the rotor 28, passing thereto by convention and radiation from the stator. The helium flow also carries with it relatively large frictional losses occurring in the gas cooling duct 16. Preferably, gas emerging from the gas bearing J is used to purge the gas cooling duct 16. The gas flow in the gas cooling duct 16 may be arranged either symmetrically with helium discharge in the middle between the teeth 4 of the rotor 28 or unilaterally, one side, for example, from the right gas bearing J to the exhaust gas space of the left gas bearing J and together to the exhaust duct 15 as shown in the figure, where the inlet and outlet of the cooling water are drawn with thin arrows and the inlet and outlet of the cold helium.

Claims

A radial expansion microturbine with an impeller supported by a shaft supported in gas bearings, in particular a microturbine arranged in a liquefied gas installation, characterized in that it is provided with a eddy-current brake (29) with a rotor (28) mounted on the impeller shaft (1). 6).

Radial expansion microturbine according to claim 1, characterized in that the eddy current rotor (28) is a gear inductor which is separated from the stator yoke (9) with the excitation coil (10) by a diaphragm (11) as a swirl anchor, a diaphragm (11). ) defines a liquid cooling channel (13) on the stator and a gas cooling channel (16) connected to the rotor (28) connected to at least one working gas outlet (30) from the gas bearings (3) and flowing into the working gas discharge channel (15).