SU1004721A1 - Турбодетандерный агрегат - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к низкотемпературным турбодетандерам, примен емым в криогенных установках, которые предназначены дл  ожижени  и разделени  газов и охлаждени  различных сверхпровод щих устройств.

Известны низкотемпературные турбодетандеры с газовыми опорами, которые устанавливаютс  непосредственно на блок установки С 11.

Отличительной особенностью работы криогенных турбодетандеров  вл етс  крайне низкий температурный уровень ; работы турбинной ступени,.

В таких услови х эффективность работы турбодетандеров в значительной степени зависит от количества и температурного уровн  холода, выносимого с утечкой газа из лабиринтного уплотнени  турбинной ступени, а также от теплопротоков к турбинной ступени из окружающей среды по корпусу и валу машины

Другой особенностью турбодетандера  вл етс  тр, что тормозна  ступень работает при температуре выше окружающей среды, а турбинна  ступень находитс  в блоке установки и работает при криогенных температурах.

Вследствие этого имеет место очень большой температурный градиент вдоль оси машины между турбинной ступенью и узлами подвески и торможени .

Известен турбодетандерный агрегат , содержащий изол ционный кожух, в котором расположен встроенный теплообменник , корпус с установленными на валу в газовых подшипниках турбиной и газодувкой, с газовым цирку . л ционнымконтуром, и Систему уплотнений турбины и газодувки Г23

Claims (2)

1. Недостатком указанного турбодетандера  вл етс  то, что в тормозную ступень маши1 1, узел подшипниковых опор и в лабиринтное уплотнение подаетс  газ при температуре окружающей среды, чем предопредел етс  повышен3 U ный теплоприток к турбинной ступени, работающей при криогенных температурах . Как следствие этого происходит снижение эффективности работы турбодетандера. Кроме того, в данной конструкции утечка газа по лабиринтному уплотнению вала отводитс  из машины при низкой температуре/ и. вы осимый с этой yteчкoй низкотемпературный холод существенно снижает холодопроизводительность всей установки в целом Вследствие большого градиента тем ператур вдоль продольной оси машины возникают температурные деформации вала и подшипниковых опор, что приводит к снижению надежности работы турбодетандера. При снижении рабочей температуры в турбинной ступени отрицательное вл  ние указанных: недостатков на эффективность :иработрспособность турбодетандера резко возрастает. При использовании турбодетандера в области температур -20К указанные недостат ,ки могут привести к полной потере ра ботоспособности машины Целью изобретени   вл етс  повыше ние производительности при работе аг регата на низком температурном уровне . Поставленна  цель достигаетс  тем что агрегат дополнительно ч;одержит ванну с жидким хладагентом, размещен ную в кожухе, и последовательно соединенные по пр мому потоку со встроенным теплообменником дополнительные теплообменники, один из которых по обратному потоку соединен с отводом газа из подшипников, а также из системы уплотнений турбины и с циркул ционным контуром, а второй - с. отводом паров хладагента из ванны. Кроме того, в валу выполнены радиальные и осевое отверсти , соединенные с проточной, частью турбины. На фиг. 1 представлен турбодетандер , разрез $ на фиг, 2 - вариант отвода утечки из турбинной ступени в в ходной диффузор турбодетандерао В корпусе 1 турбодетандера (фиг.1 размещены вал 2 с лабиринтным уплотнением 3 турбинной ступени k, на котором консольно закреплены рабочее колесо турбины 5 и колесо тормозной газ.одувки 6. Вал 2 опираетс  на газовые подшипники 7 питаемые газом под давлением через входной патрубок 8. В корпусе 1 в зоне лабиринтно14 го уплотнени  3 вала 2 выполнен кольцевой коллектор 9 дл  обеспечени  холодного поддува газа в уплотнение 3 через запорный вентиль 10 и патрубок 11. В кожухе со стороны тормозного колеса 6 размещена ванна12 жидкого хладагента, подаваемого по патрубку 13. В ванне 2 расположены три теплообменника: теплообменник 4 газа, идущего в узел по/ иипниковых опор 7 и на поддув в уплотнение 3 теплообменник 15 газа, идущего в тормозную газодувку 6, теплообменник 16 дл  подпитки тормозного циркул ционного контура 17, Дл  предварительного охлаждени  газа, идущего на подшипники 7, поддув в уплотнение 3 и подпитку .газа тормозного контура 17, установлены последовательно два теплообменника предварительного охлаждени : теплообменник 18, ирпользующий отработанный холодный газ из подшипников 7 иуплотнени  3, выход щий через камеру 19 и патрубок 20, и теплообменник 21, охлажда§мый парами хладагента, испарившегос  из ванны 12, подаваемыми через патрубок 22, Межтрубное пространство теплообменника 21 соединено с патрубком 22 выхода паров хладагента из ванны 12„ Турбодетандер с теплообменниками 1, 15 и 1б, расположенными в ванне 12, и теплообменниками предварительного охлаждени  18 и 21 заключен в изол ционный кожух 23 с эффективной изол цией 2, защйщащей от теплопритоков из окружающей (например , вакуумной, экранно-вакуумной и др.).. На фиг. 2 кольцевой коллектор 9 соединен радиальным сверлением 23 в вале 2 и осевым сверлением 2 в вале 2 и рабочем колесе 5 с выходным диффузором 25 рабочего газа. Турбодетандер работает следующим образом. Рабочий газ проходит через турбинную ступень А и вращае т вал 2 с рабочим колесом турбины 5 и колесом 6 тормозной газодувки. Энерги  газа передаетс  на тормозное колесо 6 и снимаетс  газом тормозного циркул ционного контура 17, охлаждаемого в теплообменнике 15, расположенном в ванне 12, в которую подаетс  жидкий хладагент. Два потока газа: один - подаваемый в подшипники 7 и лабиринтное уплотнение 3 и второй - на поддув газа цч,ркул ционного тормозного контура 17 проход т последовательно теплообменники предварительного охлаждени  18 и 21, затем постдоают в теплообменники И, 15 и 16, расположенные в ванне 12, где охлаждаютс  жидким хладагентом. После теплообменника 1й о)слажденный газ через патрубок 8 поступает в подшипники 7 и через запорный вентиль 10 и-патрубок J1 - в кольцевой колле,ктор 9. Дл  регулировани  давлени  газа в кольцевом коллекторе 9, посредство которого осуществл етс  запирание холодной утечки рабочего газа из тур бинной, ступени k по лабиринтному уплотнению 3 вала 2, предусмотрен вентиль 10 перед входным патрубком 11. Отработанный газ из подшипников 7 и утечка холодного газа из турбинной ступени 1 через лабиринтное уплотнение 3 попадают в камеру 19 сбро са газа из подшипников 7 и через na трубок 20 - в межтрубное пространств теплообменникаJ дл  предварительного охлаждени  потоков газа, идущих в теплообменник 21 и ванну 12. При втором возможном варианте (фиг. 2) отвод холодной утечки может быть осуществлен через кольцевой кол лектор 9, радиальное сверление 23 в ва/ie 2 и осевое сверление 2k в вале 2 и рабочем колесе 5 в выходной диффузор 25 основного потока расшир емого газа турбинной ступени 4, В этом случае входной патрубок 11 с вентилем 10 отсутствуют или вентиль 10 полностью закрыт, iiaHHa 12 с жидким хладагентом служит экраном от теплопритоков по корпусу 1 и валу 2 в турбинную ступ пень 4 машийы. Пары хладагента, образовавшиес  в ванне 12, через патрубок 22 отвод тс  в межпатрубное пространство теплообменника 21 и служат дл  предварительного охлаждени  потоков газа идущих на теплообменники И и 16, расположенные в ванне 12, и в конечном итоге идут на подшипники 7, в лабиринтное уплотнение 3 и на поддув газа в тормозной контур 17. Предлагаемое техническое решение позвол ет существенно уменьшить теплопритоки к турбинной ступени за сче установки ванны с жидким хладагентом, котора   вл етс  экраном. Так, например, Е турбодетандерах криогенных галиевых установок выполненных по прилагаемой схеме, значительн10 уменьшены теплопритоки по самой машине, так как температурный градиент - ДТ снижаетс  в зависимости от ступени охлаждени  с 350-300 до 75-1°С. Кроме того, турбодетандер полумаетс  более Нодежным 1з работе вследствие снижени  температурных деформаций корпуса, особенно вала и подшипниковых опор. Другим важным достоинством предлагаемого решени   вл етс  существенное со1фа1«ение потерь холода с утечкой газа через лабиринтное уплотнение вала, котора  идет на предварительное охлаждение. Особую актуальность это решение приобретает дл  турбодетандероа криогенных гелиевых установок, так как даже незначительна  утечка холодного газа турбинной ступени через лабиринтное уплотнение вала может приводить к существенной и даже полной потере холодопроизводительности турбодет андеров ., ; Циркул ци  холодного газа в тормозном контуре позвол ет уменьшить размеры тормозного колеса, что повышает виброустойчивость ротора турбодетандера и соответственно надежность его работы. Формула изобретени  1, Турбодетандерный агрегат, содержащий изол ционный кожух, в котором расположен вбгррённый теплообменник, корпус с установленными на валу в газовых подшипниках турбиной . и газодуйкой с газовым циркул ционным контуром , и .систему уплотнений турбины и газодувки, отличающийс  тем, что, с целью повышени  производительности при работе агрегата на низком температурном уровне, агрегат дополнительно содержит ванну с жидким хладагентом, размещенную в кожухе , и последовательно соединен ные по пр мому потоку совстроенным теплообменником дополнительные теплообменники , один из которых по обратному потоку соединен с отводом 0 сисгаза из подшипников, а также из темы уплотнений турбины и с циркул ционным контуром, а второй - с отводом паров хладагента из ванны. 2 о Агрегат по п, 1, отличающийс  тем, что в валу выполнены радиальные и оСевое отверсти  , соединенные с проточной частью турбины. 1 Источники информации, прин тые ео внимание при экспертиаь . 1. Епифанова В„И, Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. М,, Машиностроение, 197, с« 382.
2. 2. Давыдов А.Б. и др. Высокоскоростные , турбодетандеры с газовыми подшипниками дл  криогенной галиевой установки - Химическое и нефт ное машиностроение, 1975, № 9, с, 23,