ТУРБОХОЛОДИЛЬНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2004 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к устройствам воздушных турбокомпрессоров для получения низкотемпературного холода в диапазоне температур от -60°С до -120°С.

Известны воздушные турбохолодильные агрегаты, которые работают по принципу воздушного рекуперативного холодильного цикла с турбодетандером и состоят из компрессора, блока осушки воздуха, рекуперативного теплообменника, системы смазки, системы управления и турбодетандера. Регулирование рабочей температуры осуществляется изменением количества расширенного воздуха, подаваемого из турбодетандера в рекуперативный теплообменник, установкой нагрузочных устройств в виде турбокомпрессорного агрегата или высокочастотного электрогенератора [1, 2, 3, 4].

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция воздушного турбохолодильного агрегата с нагрузочным устройством в виде гладкой цилиндрической втулки, охватывающей с малым радиальным зазором участок вала. Через специальные клапаны в зазор подается смазывающая жидкость, используемая в подшипниках, или жидкий хладоагент [5].

Недостатками таких конструкций является малый диапазон регулирования мощности турбины, обычно в пределах 10-15% от номинальной, а также сильное дестабилизирующее гидромеханическое воздействие на ротор, приводящее, как правило, к режиму возбуждения нестационарных автоколебательных процессов. В результате резко снижается область динамически устойчивой работы машины.

Техническая задача заключается в обеспечении оптимальных условий охлаждения при различных температурных режимах, устойчивой работы турбодетандера в широком диапазоне и возможности регулирования температуры с точностью до 1°С.

Поставленная задача решается таким образом, что в турбохолодильном агрегате, включающем компрессор, блок осушки воздуха, рекуперативный теплообменник, систему смазки, систему управления и турбодетандер, согласно изобретению турбодетандер снабжен смонтированным на свободной консоли вала турбодетандера нагрузочным устройством в виде втулки, выполненной с кольцевыми канавками и относительной протяженностью рабочих элементов трения к радиусу 0,1-0,2 на роторной части и осевыми канавками с относительной шириной рабочих элементов 0,1-0,2 на ответной поверхности статорной части втулки.

Предлагаемое устройство отличается от известного наличием нагрузочного устройства в виде цилиндрической втулки с выполненными на ее рабочих поверхностях роторной и статорной частей аксиальными и радиальными канавками. Подаваемая в рабочий зазор смазывающая жидкость в результате вращения вала увлекает окружающий втулку воздух, количество которого изменяется в зависимости от скорости вращения вала. Как следствие, имеет место гидродинамическое трение существенно эмульгированной среды. Регулирование тормозной мощности осуществляется за счет изменения количества подаваемой смазывающей среды в рабочий зазор элементов втулки. За счет этого достигается изменение в широком диапазоне динамической вязкости образующейся в рабочем зазоре эмульсии. В результате диапазон регулирования мощности турбины и, соответственно, количества вырабатываемого холода увеличивается до величины 70-80% от номинальной.

Благодаря разрыву смазочного слоя аксиальными и радиальными канавками на поверхности тормозной втулки резко уменьшаются нестационарные гидродинамические силы, действующие на ротор, чем и достигается значительное снижение уровня возбуждающего воздействия на ротор. Это предопределяет поддержание устойчивых режимов работы турбины во всем рабочем диапазоне скоростей вращения.

На фиг. 1 представлен турбохолодильный агрегат; фиг. 2 - нагрузочное устройство; фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2.

Турбохолодильный агрегат работает по принципу воздушного рекуперативного холодильного цикла с турбодетандером и состоит из компрессорного блока А и блока охлаждения В. Блок А включает компрессор 1, концевой холодильник 2, масловлагоотделитель 3, блок осушки 4, фильтр тонкой очистки 5, фильтр низкого давления 6. Блок В состоит из рекуперативного теплообменника 7, отсечного воздушного клапана 8, автоматической защиты турбодетандера 9, камер охлаждения 10.1 и 10.2 и насосного агрегата 11 с масляным холодильником 12, аккумулятором масла 13, фильтрами супертонкой очистки масла 14 и обратным клапаном 15. Кроме того, установка комплектуется блоком с приборами контроля и арматурой управления (не показано). На свободной консоли вала турбодетандера 9 смонтировано нагрузочное устройство 16, которое представляет собой цилиндрический гидравлический тормоз в виде втулки. Роторная часть 17 втулки выполнена с кольцевыми канавками 18 с относительной протяженностью рабочих элементов трения к радиусу втулки 0,1-0,2. На ответной поверхности статорной части 19 втулки выполнены осевые канавки 20 с относительной шириной рабочих элементов к радиусу втулки 0,1-0,2.

Турбохолодильный агрегат работает следующим образом.

Сжатый и очищенный воздух в блоке А, предварительно охлажденный в рекуперативном теплообменнике 7, через клапан 8 поступает в турбодетандер 9, где расширяется и охлаждается до необходимой температуры. Часть расширенного и охлажденного воздуха поступает в рекуперативный теплообменник 7, а основная часть идет на охлаждение к потребителю холодного воздуха в камеры охлаждения 10.1 и 10.2. Регулирование рабочей температуры осуществляется изменением скорости вращения турбодетандера 9, которое достигается путем регулирования подачи смазывающей среды, поступающей в рабочий зазор нагрузочного устройства 16, где посредством кольцевых канавок 18 и осевых канавок 20 происходит эмульгирование смазывающей среды. За счет изменения в широком диапазоне динамической вязкости образующейся эмульсии изменяется тормозная мощность, воздействующая на турбодетандер, что позволяет обеспечить регулирование температурного режима с точностью до 1°С, достигнуть виброустойчивости турбодетандера к получастотным автоколебаниям и предотвращает перегрев масла при частоте вращения турбины, достигающей более 100000 об/мин.

Источники информации

1. GB №1282643, кл. F 25 B 11/00, публ. 19 июля 1972 г.

2. US №4167295, кл. F 16 C 17/10, публ. 11 сентября 1979 г.

3. РСТ № 91/00483 А1, кл. F 25 B 11/04, публ. 10 января 1991 г.

4. ЕР №0880000 А3, кл. F 25 B 11/02, публ. 16 декабря 1998 г.

5. RU №2158398 С1, кл. F 25 B 11/00, публ. 27 октября 2000 г. (прототип).

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в устройствах воздушных турбокомпрессоров для получения низкотемпературного холода в диапазоне температур от -60°С до -120°С. Агрегат работает по принципу воздушного рекуперативного холодильного цикла с турбодетандером и состоит из компрессорного блока А и блока охлаждения В. Блок А включает компрессор, концевой холодильник, масловлагоотделитель, блок осушки, фильтр тонкой очистки, фильтр низкого давления. Блок В состоит из рекуперативного теплообменника, турбодетандера, камер охлаждения и насосного агрегата. На свободной консоли вала турбодетандера смонтировано нагрузочное устройство в виде втулки. Роторная часть втулки выполнена с кольцевыми канавками с относительной протяженностью рабочих элементов трения к радиусу втулки 0,1-0,2. На ответной поверхности статорной части втулки выполнены осевые канавки с относительной шириной рабочих элементов к радиусу втулки 0,1-0,2. Такое выполнение турбохолодильного агрегата обеспечивает регулирование рабочей температуры с точностью до 1°С, достижение виброустойчивости турбодетандера к получастотным автоколебаниям и предотвращает перегрев масла при высокой частоте вращения, достигающей более 100000 об/мин. 3 ил.

Турбохолодильный агрегат, включающий компрессор, блок осушки воздуха, рекуперативный теплообменник, систему смазки, систему управления и турбодетандер, отличающийся тем, что турбодетандер снабжен смонтированным на свободной консоли вала турбодетандера нагрузочным устройством в виде втулки, выполненной с кольцевыми канавками и относительной протяженностью рабочих элементов трения к радиусу 0,1-0,2 на роторной части и осевыми канавками с относительной шириной рабочих элементов 0,1-0,2 на ответной поверхности статорной части втулки.