RU46082U1

RU46082U1 - TURBODETANDANDER

Info

Publication number: RU46082U1
Application number: RU2005103519/22U
Authority: RU
Inventors: О.П. Андреев; Б.С. Ахметшин; А.К. Арабский; В.М. Губин; И.А. Кесаев; З.С. Салихов; К.К. Соколов; С.Н. Спивак; С.В. Хетагуров; В.А. Хетагуров; В.Н. Шпак
Original assignee: ООО "Ямбурггаздобыча"
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2005-06-10

Abstract

Полезная модель относится к холодильной технике. Турбодетандер содержит корпус, в котором на двух радиальных и одной осевой опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора и осевая турбина. В корпусе выполнены полость на входе в осевую турбину и разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной, при этом осевая опора выполнена в виде двух упорных подшипников, каждый из которых установлен между сопряженными с боковыми поверхностями наружной обоймы упорного подшипника кольцевыми упругими пластинами, установленными в корпусе осевой опоры, а диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин каждого из подшипников и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника относительно его наружной обоймы в осевом направлении каждого из упорных подшипников относительно друг от друга не превышает ±10%. В результате достигается увеличение межремонтного ресурса турбодетандера путем совершенствования системы стабилизации положения вала при переменных нагрузках, особенно в период запуска и останова турбодетандера за счет повышения работоспособности турбодетандера при перегрузках от осевых сил.The utility model relates to refrigeration. The turboexpander contains a housing in which a shaft is mounted on two radial and one axial bearings made in the form of rolling bearings, and a centrifugal compressor impeller and an axial turbine are installed on the latter. In the housing, a cavity is made at the entrance to the axial turbine and an unloading cavity between the impeller of the centrifugal compressor and the axial turbine, while the axial support is made in the form of two thrust bearings, each of which is mounted between annular elastic plates mated to the lateral surfaces of the outer race of the thrust bearing installed in the housing of the axial support, and the range of variation in compliance in the axial direction of the annular elastic plates of each of the bearings and the free movement of the inner cage its relative molecular weight of the bearing outer race in the axial direction of each of the thrust bearing relative to each other by not more than ± 10%. As a result, an increase in the overhaul life of the turboexpander is achieved by improving the stabilization system of the shaft position under variable loads, especially during the start and stop of the turboexpander due to an increase in the efficiency of the turboexpander during overload from axial forces.

Description

Полезная модель относится к холодильной технике и может быть использована в качестве источника холода в различных системах, использующих природный газ, например в установках низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой в условиях вечной мерзлоты.The utility model relates to refrigeration technology and can be used as a source of cold in various systems using natural gas, for example, in installations for low-temperature gas separation or its cooling before transportation in permafrost conditions.

Известен турбодетандер, содержащий корпус с радиальной турбиной и компрессором, размещенными в нем на валу, установленном на радиально-осевых подшипниковых опорах, маслосистему и уплотнения вала (см. патент RU №1575025, кл. F 25 B 11/00, 30.06.1990).Known turboexpander containing a housing with a radial turbine and a compressor placed in it on a shaft mounted on radial-axial bearings, an oil system and shaft seals (see patent RU No. 1575025, class F 25 B 11/00, 06/30/1990) .

При работе турбодетандера вал подвержен осевой нагрузке, при этом ось вала совершает колебательные движения и осевые перемещения вследствие податливости подшипниковых опор, что приводит к износу и разрушению подшипников. Кроме того, в радиальной турбине, использованной в данном турбодетандере, под воздействием газового конденсата быстро наступает износ лопаток.During the operation of the turboexpander, the shaft is subject to axial load, while the axis of the shaft makes oscillatory movements and axial movements due to the flexibility of the bearing bearings, which leads to wear and destruction of the bearings. In addition, in the radial turbine used in this turboexpander, the wear of the blades quickly occurs under the influence of gas condensate.

Наиболее близким к полезной модели по техническому результату является турбодетандер, содержащий корпус, в котором на двух радиальных и одной осевой опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора и осевая турбина, при этом в корпусе выполнены полость на входе в осевую турбину и разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной (см., патент RU №2200916, кл. F 25 B 11/00, 20.03.2003).The closest to the utility model according to the technical result is a turboexpander containing a housing in which a shaft is mounted on two radial and one axial bearings made in the form of rolling bearings, and a centrifugal compressor impeller and an axial turbine are installed on the latter, while in the housing the cavity at the entrance to the axial turbine and the discharge cavity between the impeller of the centrifugal compressor and the axial turbine (see, patent RU No. 2200916, class F 25 B 11/00, 03/20/2003).

В данном турбодетандере частично решены проблемы по снижению осевой нагрузки на подшипниковые опоры. Однако вал подвержен значительной нагрузке в момент запуска, что снижает надежность работы турбодетандера.This turboexpander has partially solved the problems of reducing the axial load on the bearings. However, the shaft is subject to significant load at the time of launch, which reduces the reliability of the turbo expander.

Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является увеличение межремонтного ресурса турбодетандера путем совершенствования системы стабилизации положения вала при переменных нагрузках, особенно в период запуска и останова турбодетандера за счет повышения работоспособности турбодетандера при перегрузках от осевых сил.The technical result, the achievement of which the present utility model is aimed, is to increase the overhaul life of the turbo expander by improving the stabilization system of the shaft position under variable loads, especially during the start and stop of the turbo expander by increasing the operability of the turbo expander during overload from axial forces.

Указанный выше технический результат достигается за счет того, что турбодетандер содержит корпус, в котором на двух радиальных и одной осевой опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора и осевая турбина, причем в корпусе The above technical result is achieved due to the fact that the turboexpander includes a housing in which a shaft is installed on two radial and one axial bearings made in the form of rolling bearings, and a centrifugal compressor impeller and an axial turbine are installed on the latter, and in the housing

выполнены полость на входе в осевую турбину и разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной, при этом осевая опора выполнена в виде двух упорных подшипников, каждый из которых установлен между сопряженными с боковыми поверхностями наружной обоймы упорного подшипника кольцевыми упругими пластинами, установленными в корпусе осевой опоры, а диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин каждого из подшипников и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника относительно его наружной обоймы в осевом направлении каждого из упорных подшипников относительно друг от друга не превышает ±10%.a cavity is made at the entrance to the axial turbine and an unloading cavity between the impeller of the centrifugal compressor and the axial turbine, while the axial support is made in the form of two thrust bearings, each of which is installed between the thrust bearing mating with the lateral surfaces of the outer race of the thrust bearing installed in the housing axial bearings, and the range of variation in compliance in the axial direction of the annular elastic plates of each of the bearings and the free movement of the inner cage of the thrust under the rosehip relative to its outer race in the axial direction of each of the thrust bearings relative to each other does not exceed ± 10%.

В ходе анализа работы турбодетандера было установлено, что при переходных режимах работы, а также пуске и остановке турбодетандера, когда перепад давлений газа на турбине существует, а центробежный компрессор из-за низких оборотов не создает требуемого перепада, система газодинамической разгрузки работает неэффективно. Это приводит к кратковременному возникновению критических осевых усилий, а зачастую и к поломке подшипника осевой опоры и, как следствие, поломке элементов проточной части турбодетандера.During the analysis of the operation of the turbo expander, it was found that during transient operation, as well as starting and stopping the turbo expander, when the gas pressure differential across the turbine exists, and the centrifugal compressor does not create the required differential due to low revolutions, the gas-dynamic unloading system works inefficiently. This leads to a short-term occurrence of critical axial forces, and often to a breakdown of the axial support bearing and, as a result, breakdown of the elements of the flow part of the turbo expander.

Частые поломки требуют увеличения количества резервных турбодетандеров, увеличивают стоимость обслуживания и ремонта, что делает применение турбодетандеров, особенно высокого давления (>5 МПа) неэффективным. Установка двух упорных подшипников может создать условия, при которых возникшее осевое усилие воспринимают оба упорных подшипника. Важно, чтобы это усилие было равномерно распределено между подшипниками. Принимая во внимание, что осевое усилие распределяется между подшипниками прямопропорционально величине люфта в подшипниках и обратно пропорционально жесткости диафрагм, подбирают упругие пластины и подшипники с приблизительно одинаковой податливостью в осевом направлении кольцевых упругих пластин (одинаковой жесткостью) и одинаковым свободным перемещением внутренней обоймы каждого упорного подшипника относительно его наружной обоймы в осевом направлении (одинаковым люфтом). В этом случае усилие, воспринимаемое каждым из упорных подшипников, практически равно, т.е. делится на 2. При назначенных допусках второй подшипник воспринимает не менее 80% полной величины осевого усилия, что повышает работоспособность обоих подшипников. Таким образом, в ходе проведенного исследования было установлено, что для повышения работоспособности необходимо, чтобы диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин каждого из подшипников и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника относительно его наружной Frequent failures require an increase in the number of reserve turboexpander, increase the cost of maintenance and repair, which makes the use of turboexpander, especially high pressure (> 5 MPa) ineffective. The installation of two thrust bearings can create conditions under which both thrust bearings absorb the resulting axial force. It is important that this force is evenly distributed between the bearings. Taking into account that the axial force is distributed between the bearings in direct proportion to the clearance in the bearings and inversely proportional to the stiffness of the diaphragms, we select elastic plates and bearings with approximately the same axial flexibility of the annular elastic plates (the same stiffness) and the same free movement of the inner race of each thrust bearing relative to its outer race in the axial direction (the same backlash). In this case, the force perceived by each of the thrust bearings is almost equal, i.e. divided by 2. With the tolerances assigned, the second bearing accepts at least 80% of the total axial force, which increases the performance of both bearings. Thus, in the course of the study, it was found that to increase the working capacity, it is necessary that the range of variation in compliance in the axial direction of the annular elastic plates of each of the bearings and the free movement of the inner race of the thrust bearing relative to its outer

обоймы в осевом направлении для каждого из упорных подшипников относительно друг от друга не превышало±10%.the cage in the axial direction for each of the thrust bearings relative to each other did not exceed ± 10%.

На фиг.1 показан продольный разрез турбодетандера, а на фиг.2 показан увеличено вырыв I на фиг.1Figure 1 shows a longitudinal section of a turboexpander, and figure 2 shows a larger cutout I in figure 1

Турбодетандер содержит корпус 1, в котором на двух радиальных 2 и одной осевой 3 опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал 4, а на последнем установлены рабочее колесо 5 центробежного компрессора 6 и осевая турбина 7. В корпусе 1 выполнены полость 8 на входе в осевую турбину 7 и разгрузочная полость 9 между рабочим колесом 5 центробежного компрессора 6 и осевой турбиной 7. Осевая опора 3 выполнена в виде двух упорных подшипников 10, каждый из которых установлен между сопряженными с боковыми поверхностями наружной обоймы упорного подшипника 10 кольцевыми упругими пластинами 11, установленными в корпусе 12 осевой опоры 3. Диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин 11 каждого из подшипников 10 и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника 10 относительно его наружной обоймы в осевом направлении каждого из упорных подшипников 10 относительно друг от друга не превышает ±10%.The turboexpander includes a housing 1, in which a shaft 4 is mounted on two radial 2 and one axial 3 bearings made in the form of rolling bearings, and the impeller 5 of the centrifugal compressor 6 and an axial turbine 7 are installed on the latter. In the housing 1, a cavity 8 is made at the input in the axial turbine 7 and the unloading cavity 9 between the impeller 5 of the centrifugal compressor 6 and the axial turbine 7. The axial support 3 is made in the form of two thrust bearings 10, each of which is installed between the thrust bearings mating with the side surfaces of the outer race of the bearing 10 with annular elastic plates 11 mounted in the housing 12 of the axial support 3. The range of variation in the axial flexibility of the annular elastic plates 11 of each of the bearings 10 and the free movement of the inner race of the thrust bearing 10 relative to its outer race in the axial direction of each of the thrust bearings 10 relative from each other does not exceed ± 10%.

Газ, как правило природный газ, температурой около 15°С и давлением порядка 10 МПа из компрессорной установки поступает на рабочее колесо 5 центробежного компрессора 6 турбодетандера, где дополнительно сжимается и затем направляется на внешние устройства охлаждения, например в газо-воздушный и регенеративный теплообменники (не показаны на чертеже). После этого охлажденный газ поступает в полость 8 на входе в осевую турбину 7 и затем в турбину 7, где при расширении газа его температура и давление понижаются, в частности температура до -35°С, а давление до 6,3 МПа. При пуске и остановке турбодетандера, когда перепад давлений газа на осевой турбине 7 существует, а центробежный компрессор 6 из-за низких оборотов еще не создает требуемого перепада давления на рабочем колесе 5, система газодинамической разгрузки работает неэффективно. Это приводит к кратковременному возникновению критических осевых усилий. При возникновении осевого усилия его воспринимают оба упорных подшипника 10. Это усилие распределяется между упорными подшипниками 10 приблизительно одинаково, т.е. делится на 2. При указанных выше допусках второй упорный подшипник воспринимает не менее 80% осевого усилия на валу 4.Gas, usually natural gas, with a temperature of about 15 ° C and a pressure of about 10 MPa from the compressor unit enters the impeller 5 of the centrifugal compressor 6 of the turboexpander, where it is further compressed and then sent to external cooling devices, for example, gas-air and regenerative heat exchangers ( not shown in the drawing). After that, the cooled gas enters the cavity 8 at the inlet to the axial turbine 7 and then to the turbine 7, where, as the gas expands, its temperature and pressure decrease, in particular, the temperature to -35 ° C, and the pressure to 6.3 MPa. When starting and stopping the turboexpander, when the differential pressure of gas on the axial turbine 7 exists, and the centrifugal compressor 6 does not yet create the required differential pressure on the impeller 5 due to low revolutions, the gas-dynamic unloading system is ineffective. This leads to a short-term occurrence of critical axial forces. When an axial force occurs, both thrust bearings 10 perceive it. This force is distributed approximately equally between the thrust bearings 10, i.e. divided by 2. With the above tolerances, the second thrust bearing accepts at least 80% of the axial force on the shaft 4.

Данная полезная модель может быть использована в качестве источника холода в устройствах, использующих природный газ, в том числе для низкотемпературной This utility model can be used as a source of cold in devices using natural gas, including for low-temperature

сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой по газопроводам, проложенным в условиях вечной мерзлоты.gas separation or cooling before transportation through gas pipelines laid in permafrost.

Claims

A turboexpander comprising a housing in which a shaft is mounted on two radial and one axial bearings made in the form of rolling bearings, and a centrifugal compressor impeller and an axial turbine are mounted on the latter, the cavity being made at the entrance to the axial turbine and the discharge cavity between an impeller of a centrifugal compressor and an axial turbine, characterized in that the axial support is made in the form of two thrust bearings, each of which is installed between the external the bearings of the thrust bearing by annular elastic plates mounted in the axial bearing housing, while the range of variation in the axial flexibility of the annular elastic plates of each bearing and the free movement of the inner race of the thrust bearing relative to its outer race in the axial direction of each of the thrust bearings are not exceeds ± 10%.