RU2716780C1 - Turboexpander - Google Patents
Turboexpander Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716780C1 RU2716780C1 RU2019124350A RU2019124350A RU2716780C1 RU 2716780 C1 RU2716780 C1 RU 2716780C1 RU 2019124350 A RU2019124350 A RU 2019124350A RU 2019124350 A RU2019124350 A RU 2019124350A RU 2716780 C1 RU2716780 C1 RU 2716780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- turboexpander
- cryostat
- turbine
- winding
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
- F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
Abstract
Description
Изобретение относится к расширительным машинам, а именно к турбодетандерам, которые могут широко применяться в криогенных системах и, особенно, в составе гелиевых и водородных установок.The invention relates to expansion machines, namely, turboexpander, which can be widely used in cryogenic systems and, especially, as part of helium and hydrogen plants.
Широко известна традиционная конструкция воздушных турбодетандеров, содержащая консольное колесо с радиальным выходом, масляные опоры скольжения с принудительной смазкой и торможением электрогенератором через понижающий редуктор (см. Техника низких температур. Издательство «Энергия» 1964 г., стр. 382, рис 7-83). Основной недостаток приведенного аналога заключается в том, что надежные конструкции турбодетандеров можно создать только на низкое и среднее давление при больших расходах перерабатываемого газа.The traditional design of air turbo expanders is widely known, containing a cantilever wheel with a radial outlet, oil sliding bearings with forced lubrication and braking by an electric generator through a reduction gear (see Low Temperature Technique. Energia Publishing House 1964, p. 382, Fig. 7-83) . The main disadvantage of this analogue is that reliable designs of turbo expanders can be created only at low and medium pressure at high flow rates of the processed gas.
Известна конструкция гелиевого турбодетандера, состоящего из корпуса и двух радиально-упорными газостатическими подшипниками, жесткого вала с размещенными на противоположных концах турбинного колеса и колеса тормозного компрессора (см. Техника низких температур. Издательство «Энергия» 1964 г., стр. 385, рис 7-87).A known design of a helium turbo-expander consisting of a housing and two angular contact gas-static bearings, a rigid shaft with turbine wheels and brake compressor wheels located at opposite ends of the turbine (see Low Temperature Technique. Energia Publishing House 1964, p. 385, Fig. 7 -87).
К основным недостаткам указанной конструкции турбодетандера можно отнести:The main disadvantages of this design of the turboexpander include:
- конструктивную сложность и низкую надежность обусловленные трудностями, связанными с созданием виброустойчивых радиальных опор скольжения при высоких рабочих частотах вращения вала и упорных подшипников для разгрузки осевых усилий;- structural complexity and low reliability due to difficulties associated with the creation of vibration-resistant radial sliding bearings at high operating frequencies of rotation of the shaft and thrust bearings for unloading axial forces;
- необходимость разработки специальных систем контроля и регулирования за работой подшипниковых узлов, чтобы уменьшить величину суммарного осевого усилия;- the need to develop special monitoring and regulation systems for the operation of bearing assemblies in order to reduce the total axial force;
- дополнительный отбор рабочего газа, составляющий до 10% от производительности компрессора, для работы газостатических подшипников скольжения и радиально-упорных подшипников.- additional selection of working gas, up to 10% of the compressor capacity, for the operation of gas-static sliding bearings and angular contact bearings.
Наиболее близкой по технической сущности является турбодетандер, содержащий корпус с двумя радиально-упорными и скольжения подшипниками, вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства тыльными сторонами друг к другу, при этом колеса соединены последовательно и выполнены разного диаметра, торцевые крышки турбинных колес, выполненные с разными направляющими аппаратами и форкамерами для сжатого рабочего газа, коллектор подачи газа на первое турбинное колесо, промежуточный коллектор между ступенями, коллектор выхода расширенного газа из второго рабочего колеса (см. патент SU 985641).The closest in technical essence is a turboexpander containing a housing with two angular contact and sliding bearings, a shaft with turbine wheels located on both sides of the brake device with the rear sides to each other, while the wheels are connected in series and made of different diameters, the end caps of the turbine wheels made with different guiding apparatuses and prechambers for compressed working gas, a manifold for supplying gas to the first turbine wheel, an intermediate manifold between steps, a coll Ktorov expanded exit gas from the second impeller (see. patent SU 985641).
В данной конструкции осуществляется полная разгрузка вала от осевых усилий только в расчетном режиме работы турбодетандера, и поэтому для обеспечения безопасности в конструкции сохранены и упорные подшипники, работающие в пусковых и переходных режимах работы. Другой существенный недостаток турбодетандера заключается в том, что в качестве тормозного устройства необходимо использовать либо электрогенератор, либо масляный тормозной контур, что усложняет конструкцию криогенных турбодетандеров и приводит к снижению адиабатного КПД.In this design, the shaft is completely unloaded from axial forces only in the calculated mode of operation of the turbo expander, and therefore, thrust bearings operating in starting and transient operation modes are also preserved in the design to ensure safety. Another significant drawback of a turboexpander is that it is necessary to use either an electric generator or an oil brake circuit as a braking device, which complicates the design of cryogenic turboexpander and reduces the adiabatic efficiency.
Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности.The purpose of the invention is to simplify the design and increase reliability.
Поставленная цель достигается тем, что в турбодетандере, содержащем корпус с двумя радиально-упорными и скольжения подшипниками, вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства тыльными сторонами друг к другу, при этом колеса пневматически соединены последовательно и выполнены разного диаметра, торцевые крышки турбинных колес, выполненные с разными направляющими аппаратами и форкамерами для сжатого рабочего газа, коллектор подачи газа на первое турбинное колесо, промежуточный коллектор между ступенями, коллектор выхода расширенного газа из второго рабочего колеса, в корпусе выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно, при этом турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными, причем форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнены в виде высокоскоростного электрогенератора, при этом на валу детандера установлены диаметрально противоположно постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника, а кроме того турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией, при этом в криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера, а также выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору.This goal is achieved by the fact that in a turboexpander containing a housing with two angular contact and sliding bearings, a shaft with turbine wheels located on both sides of the brake device with the rear sides to each other, the wheels being pneumatically connected in series and made of different diameters, end caps turbine wheels, made with different guiding devices and prechambers for compressed working gas, a manifold for supplying gas to the first turbine wheel, an intermediate manifold between steps, the manifold of the expanded gas exit from the second impeller, two gas-dynamic sliding bearings are made in the housing, and the turbine wheels are pneumatically connected in parallel, while the turbine wheels, the guides of the apparatus and the pre-chambers are made identical, with the front chamber pre-chambers connected by a common compressed gas supply manifold, and the brake made in the form of a high-speed electric generator, with diametrically opposite permanent magnets mounted on the expander shaft, and a winding in the housing, made from a superconductor, and in addition, the turboexpander is mounted in a double-walled cryostat with screen-vacuum insulation, while an ejector is installed in the cryostat to cool the winding to its operating temperature before starting the turbo-expander, as well as an expanded gas discharge pipe from the internal volume of the cryostat and a compressed feed pipe gas with two valves, one of which is connected to the manifold for supplying compressed gas to the prechambers, and the other to the ejector.
На чертеже показан разрез предлагаемого турбодетандера, состоящего из корпуса 1, вала 2 с двумя идентичными турбинными колесами 3, установленными по обе стороны тормозного устройства, выполненного в виде высокоскоростного электрогенератора, при этом на валу 2 установлены диаметрально противоположно постоянные магниты 4, а в корпусе 1 - обмотка 5, изготовленная из сверхпроводника, при этом в качестве постоянных магнитов могут, например, использоваться магниты, изготовленные из редкоземельных металлов, которые обладают в широком диапазоне температур высокой остаточной намагниченностью, удельной магнитной энергией, коэрцитивной силой, а обмотка в зависимости от условий эксплуатации турбодетандера может быть изготовлена либо из классического сверхпроводника на основе ниобия, либо из проводника, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, т.е. более высокой критической температурой перехода.The drawing shows a section of the proposed turboexpander, consisting of a
В корпусе 1 детандера размещены также два газодинамических подшипника 6 скольжения и с обеих сторон турбинных колес 3 на корпусе 1 закреплены торцевые крышки 7 с идентичными направляющими аппаратами 8 и форкамерами 9, соединенные общим коллектором 10 подачи сжатого газа. Детандер с помощью опор 11 смонтирован в двухстенном криостате 12 с высоковакуумной изоляцией, а кроме того в нем размещен эжектор 13 для охлаждения обмотки 5 до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера, а также выполнены трубопровод 14 отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата 12 в криогенную установку (на чертеже не показана) и трубопровод 15 подачи сжатого газа из криогенной установки с начальной температурой ниже рабочей температуры сверхпроводника, из которого выполнена обмотка 5.Two gas-dynamic sliding
На трубопроводе 15 установлены два параллельных клапана, из которых один клапан 16 подключен к общему коллектору 10 подачи сжатого газа в форкамеры 9, а другой клапан 17 - к эжектору 13 для охлаждения обмотки в предпусковой период, контроль температуры которой осуществляется с помощью датчика 18, встроенного в конструкцию обмотки.Two parallel valves are installed on the
Работа турбодетандера происходит в два этапа. На первом этапе перед пуском детандера производят захолаживание обмотки 5 до ее рабочей температуры, т.е. температуры, обеспечивающей ее переход в состояние сверхпроводимости. Для этой цели из трубопровода 15 через клапан 17 подают сжатый газ из криогенной установки (на чертеже не показана) с температурой ниже критической температуры обмотки 5 на эжектор 13, который увеличивает кратность расхода рабочего криоагента во внутреннем объеме криостата 12, что существенно повышает коэффициент теплоотдачи и приводит к сокращению предпускового периода, при этом теплый газ с расходом, равным расходу, поступившему на эжектор 13, отводится из внутреннего объема криостата 12 по трубопроводу 14 в криогенную установку. В процессе захолаживания постоянно по датчику 18 контролируется температура обмотки 5 и при достижении ее значения, гарантирующего ее переход в состояние сверхпроводимости, процесс захолаживания заканчивают, закрывают клапан 17, прекращают подачу сжатого газа на эжектор 13 и приступают ко второму этапу - пуску турбодетандера.The operation of the turboexpander takes place in two stages. At the first stage, before starting the expander, the
Сжатый рабочий газ из трубопровода 15 через клапан 16 по коллектору 10 поступает в предкамеры 9 торцевых крышек 7. Далее рабочий газ предварительно расширяется в сопловых аппаратах 8 и попадает на лопатки рабочих колес 3. Двигаясь к центру рабочих колес 3, газ продолжает расширяться, понижая температуру и давление, после чего он поступает во внутренний объем криостата 12, обтекает обмотку 5, обеспечивая ее температурный режим ниже рабочего значения, и через трубопровод 14 отводится в криогенную установку. Крутящий момент, возникающий из-за перепада давления на рабочих колесах 3, передается на вал 2, полностью разгруженный от осевых усилий, приводит его к вращению в двух газодинамических подшипниках 6, установленных в корпусе 1 и обеспечивающих бесконтактное вращение вала 2 за счет газовой смазки между валом 2 и подшипниками 6. В результате вращения вала 2, механическая энергия, получаемая от колес 3 при расширении газа, превращается в электрическую, за счет вращающего магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 4, установленными на валу 2 детандера. Вращающее магнитное поле формирует в обмотке 5 напряжение и переменный ток, который по кабелю (на чертеже не указан) выводится на внешний источник потребления электроэнергии, вырабатываемой высокоскоростным генератором турбодетандера.Compressed working gas from the
Таким образом, как видно из описания конструкции и работы турбодетандера, поставленная цель изобретения достигается:Thus, as can be seen from the description of the design and operation of the turboexpander, the goal of the invention is achieved:
- за счет полной осевой разгрузки вала независимо от режима работы турбодетандера;- due to the full axial unloading of the shaft, regardless of the operating mode of the turbo expander;
- установки постоянных магнитов на валу и обмотки из сверхпроводника, охлаждаемой за счет холода рабочего газа;- installation of permanent magnets on the shaft and windings from a superconductor, cooled due to the cold working gas;
- компоновки турбодетандера в двустенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией и эжектора, обеспечивающего эффективное предпусковое охлаждение обмотки.- layout of a turboexpander in a double-walled cryostat with screen-vacuum insulation and an ejector, which provides effective pre-start cooling of the winding.
Кроме того, предлагаемая конструкция турбодетандера позволяет исключить лабиринтное уплотнение и использовать газодинамические опоры скольжения, что еще больше упрощает конструктивную схему детандера и повышает эффективность его работы.In addition, the proposed design of the turboexpander allows eliminating the labyrinth seal and using gas-dynamic sliding bearings, which further simplifies the design of the expander and increases its efficiency.
Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».A comparison of the essential features of the proposed and known solutions gives reason to believe that the proposed solution meets the criteria of "inventive step" and "industrial applicability".
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (en) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Turboexpander |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (en) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Turboexpander |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2716780C1 true RU2716780C1 (en) | 2020-03-16 |
Family
ID=69898806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (en) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Turboexpander |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716780C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220774U1 (en) * | 2023-07-05 | 2023-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НПО ГазЭнергоМаш" | TURBO EXPANDER UNIT |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0579718A (en) * | 1991-09-20 | 1993-03-30 | Hitachi Ltd | Helium liquefaction refrigerator |
FR2736999A1 (en) * | 1995-07-17 | 1997-01-24 | Centre Nat Rech Scient | SPIRAL CRYOGENIC RELIEF MACHINE |
RU2075014C1 (en) * | 1994-11-10 | 1997-03-10 | Научно-технический центр АВИС | Method of cooling closed object and plant for cooling such object |
JP5079718B2 (en) * | 2009-01-23 | 2012-11-21 | 株式会社日立製作所 | Foreign language learning support system and program |
RU2516053C2 (en) * | 2011-08-17 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" | Turbo generator without output shaft |
RU2659696C1 (en) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Александр Андреевич Панин | Air turbo-cooling plant (embodiments), turboexpander and the air turbo-cooling plant operation method (embodiments) |
-
2019
- 2019-07-29 RU RU2019124350A patent/RU2716780C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0579718A (en) * | 1991-09-20 | 1993-03-30 | Hitachi Ltd | Helium liquefaction refrigerator |
RU2075014C1 (en) * | 1994-11-10 | 1997-03-10 | Научно-технический центр АВИС | Method of cooling closed object and plant for cooling such object |
FR2736999A1 (en) * | 1995-07-17 | 1997-01-24 | Centre Nat Rech Scient | SPIRAL CRYOGENIC RELIEF MACHINE |
JP5079718B2 (en) * | 2009-01-23 | 2012-11-21 | 株式会社日立製作所 | Foreign language learning support system and program |
RU2516053C2 (en) * | 2011-08-17 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" | Turbo generator without output shaft |
RU2659696C1 (en) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Александр Андреевич Панин | Air turbo-cooling plant (embodiments), turboexpander and the air turbo-cooling plant operation method (embodiments) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220774U1 (en) * | 2023-07-05 | 2023-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НПО ГазЭнергоМаш" | TURBO EXPANDER UNIT |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103557036B (en) | Based on the integrated turbines of permanent magnetism and magnetic levitation technology | |
US7948105B2 (en) | Turboalternator with hydrodynamic bearings | |
EP3056744B1 (en) | Expander-integrated compressor, freezer, and freezer operation method | |
KR102508257B1 (en) | Device and process for cooling | |
CN203962054U (en) | A kind of integrated turbines based on permanent magnetism and magnetic levitation technology | |
RU2716780C1 (en) | Turboexpander | |
Hirai et al. | Development of a turbine-compressor for 10 kW class neon turbo-Brayton refrigerator | |
US9534576B2 (en) | Cryogenic liquid turbine | |
Kolchanova et al. | Superconducting generators for wind turbines | |
Hirai et al. | Development of a Neon Cryogenic turbo‐expander with Magnetic Bearings | |
JP2015187525A (en) | Brayton cycle refrigerator, and method for cooling heat generating part of turbo-compressor | |
CN110986408A (en) | Integrated neon refrigerator and refrigeration method | |
EP4279710A1 (en) | Rotary machine and refrigeration device using same | |
Bonneton et al. | A high reliability gas-driven helium cryogenic centrifugal compressor | |
Ozaki et al. | Development of 10 kW turbo-Brayton refrigerator for HTS power applications | |
Gondrand et al. | Overview of Air Liquide refrigeration systems between 1.8 K and 200 K | |
Bai et al. | Design of 2 kW/4 K helium refrigerator for HT-7U | |
CN113250763B (en) | Eddy current braking turbine expander | |
Hong-yu et al. | Construction of a 2 kW/4 K helium refrigerator for HT-7U | |
CN220203971U (en) | High-capacity pressurized gas bearing turbine expander and air separation equipment | |
Gistau et al. | The 300 W—1.75 K Tore Supra Refrigerator Cold Centrifugal Compressors Report | |
Sam et al. | A Review on Design, Operation and Applications of Cold-Compressors in Large-scale Helium Liquefier/Refrigerator Systems | |
Quack | European large scale helium refrigeration | |
CN109296551B (en) | Cold compressor | |
Decker et al. | Operational experience with a cryogenic axial-centrifugal compressor |