РАДИАЛЬНЫЙ ДЕТАНДЕР Российский патент 2015 года по МПК F01D1/06 F01D1/10 F01D25/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к радиальному детандеру, имеющему лопатки рабочего колеса, расположенные множеством ступеней на одном валу.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Детандер используется для отсасывания газа высокого давления из установки и расширения его для преобразования энергии давления в механическую энергию (энергию скорости), тем самым утилизируя мощность и уменьшая мощность приводного двигателя и т.п. Этот процесс хорошо известен из патент JP 3457828 (D1) и пр. Может возникнуть случай, когда нужно установить многоступенчатый детандер, чтобы принять (поглотить) высокое давление или достичь высокого КПД В этом случае можно использовать радиальный детандер с зубчатой передачей (повышающей частоту вращения), как показано, например, на фиг. 4 (см. патент JP-A-6-193585 (D2)). В таком радиальном детандере вал 102 колеса установлен в корпусе трансмиссии на подшипниках 101A. Кроме того, в корпусе трансмиссии на подшипниках 101 В установлено множество валов-шестерен (валов рабочих колес) 103, проходящих параллельно валу 102 колеса детандера. Рабочие колеса (лопастные колеса) 104 детандера ступеней A, B и C, D высокого давления расположены на обоих концах одного из показанных валов-шестерен 103, а рабочие колеса (лопастные колеса) 104 детандера ступеней E и F низкого давления установлены на обоих концах другого вала-шестерни 103.

На каждой ступени высокотемпературный газ высокого давления, выходящий из установки, всасывается в сторону рабочих колес 104 из входного коллектора 105, выполненного в виде спирального коллектора, и от направляющих лопаток (сопловых лопаток) 107, расположенных в дисковидном кольцевом пространстве 106. Поэтому газ расширяется и выходит через выходной конический диффузор 108. Мощность, утилизированная за счет всасывания и расширения газа, передается на колесо 102 детандера через зубчатую передачу для снижения частоты вращения приводного электродвигателя и т.п. (не показан). На одном валу-шестерне 103 детандера газ, выходящий из рабочего колеса 104 первой ступени, всасывается на рабочее колесо 104 второй ступени через возвратное кольцо 109 так, что процесс всасывания и расширения газа повторяется на двух ступенях.

ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Патентный документ 1: Патент Японии №3457828 (стр. 2, фиг. 6). Патентный документ 2: JP-A-6-193585 (стр. 7, фиг. 24) Патентный документ 3: JP-A-3-168304 (стр.1, фиг. 1)

В радиальном детандере с зубчатой передачей, относящемся к типу, показанному на фиг. 4, с увеличением числа ступеней увеличивается количество валов-шестерен (валов рабочих колес) 103. Соответственно, в результате требуется множество уплотнений, рассчитанных на высокое давление и множество коллекторов высокого давления.

Таким образом, возникает необходимость учитывать множество факторов, влияющих на надежность машины, работающей в условиях высокого давления и высоких перепадов давления, таких как утечка газа или вибрации валов, и возникают проблемы с обеспечением надежности. Что касается радиального детандера, показанного на фиг. 4, в таких детандерах на обоих концах одного вала-шестерни 103 устанавливают по две ступени высокого давления, т.е. A, B и C, D. Они устанавливаются так называемым консольным способом на стороне свободного конца вала-шестерни 103, расположенного снаружи от подшипника 101B. Таким образом, вибрации вала увеличиваются и предельным количеством ступеней является две. Поскольку большее количество ступеней установить невозможно, радиальный детандер такого типа нельзя использовать в условиях высокого давления и высокого перепада давления.

В патентном документе D3 описано устройство для генерирования электроэнергии, в котором детандеры установлены множеством ступеней на роторе. Такое устройство является осевым детандером, который отличается от радиального детандера по уровню давления и не может применяться в условиях высокого давления и высокого перепада давления.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание обладающего высокой надежностью одновального (одноосного) многоступенчатого радиального детандера, способного работать при высоком давлении и высоком перепаде давления.

Поставленная задача решается радиальным детандером, содержащим секцию радиального детандера, расположенную в едином корпусе, при этом секция радиального детандера содержит лопатки крыльчатки, скомпонованные в две или более ступени между подшипниками на одном валу.

Предпочтительно, чтобы секция радиального детандера содержала множество диафрагм, соединенных в осевом направлении, каждая диафрагма содержала круто изогнутый отвод для соединения соседних ступеней, а каждый из круто изогнутых отводов был снабжен сопловой лопаткой и возвратной лопаткой.

Предпочтительно также, чтобы в детандере была предусмотрена по меньшей мере одна секция, и каждая секция имела газовый вход, сообщающийся с всасывающим отверстием единого корпуса, и газовый выход, сообщающийся с выпускным отверстием единого корпуса. В вышеописанном радиальном детандере по настоящему изобретению достаточно наличие единственного вала, несмотря на то, что в нем имеется множество ступеней. Поэтому, по сравнению с обычными радиальными детандерами с зубчатой передачей, количество уплотнений и коллекторов, рассчитанных на высокое давление, можно уменьшить. Кроме того, секции радиального детандера расположены на единственном валу между подшипниками. Таким образом, проблемы соосности решаются проще, чем при наличии множества валов, так же, как и проблемы вибрации вала решаются проще, чем при консольной компоновке секций радиального детандера. Кроме того, достаточно одного коллектора, который можно легко установить в положении центральной оси вала. Следовательно, причины, приводящие к ненадежности машины в условиях высокого давления и больших перепадов давления, такие как утечки газа или вибрации вала, устранены и создан более надежный одновальный (одноосный) многоступенчатый радиальный детандер.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает вид спереди в сечении одновального (одноосного) многоступенчатого радиального детандера согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 2 - вид по стрелке A диффузора по фиг. 1.

Фиг. 3 - вид по стрелке В диффузора по фиг. 1.

Фиг. 4 - вид спереди в сечении известного радиального детандера с зубчатой передачей.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В дальнейшем приводится подробное описание радиального детандера по настоящему изобретению со ссылками на приложенные чертежи.

ВАРИАНТ

На фиг. 1 приведен вид спереди в сечении одноосного многоступенчатого радиального детандера по варианту настоящего изобретения. На фиг. 2 приведен вид по стрелке A диффузора по фиг. 1. На фиг. 3 приведен вид по стрелке В диффузора по фиг. 1.

Как показано на фиг. 1, две секции 11A и 11B радиального детандера, направления потока газа в которых вдоль вала ротора противоположны друг другу, заключены в единый трубчатый корпус 10, имеющий форму раковины. В корпусе 10, имеющем форму раковин, сформированы всасывающее отверстие 10a, сообщающееся с газовым входом (портом) 12a одной из секций 11A радиального детандера, и всасывающее отверстие 10b, сообщающееся с газовым входом 12b другой секции 11B. Кроме того, в корпусе 10, имеющем форму раковины, выполнены выпускное отверстие 10c, сообщающееся с газовым выходом 12c одной секции 11A радиального детандера и выпускное отверстие 10d, сообщающееся с газовым выходом 12d другой секции 11B радиального детандера.

Две секции 11A и 11B радиального детандера имеют множество (в показанном варианте - одиннадцать) диафрагм (кольцевых дисковидных пластин-перегородок) 15, 16a, 16b, 17а, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20a и 20b, съемно соединенных в продольном направлении корпуса 10 в форме раковины. Центральная диафрагма 15 и пять диафрагм 16a, 17a, 18a, 19a и 29a, расположенных с одной стороны от нее (слева на чертеже), образуют одну секцию 11A радиального детандера, а центральная диафрагма 15 и пять диафрагм 16b, 17b, 18b, 19b и 29b, расположенных с другой стороны от нее (справа на чертеже), образуют другую секцию 11B радиального детандера.

То есть вал 13 ротора, состоящий из единого вала, проходит сквозь центр каждой из диафрагм 15, 16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20a, 20b и оба конца вала 13 ротора установлены с возможностью вращения в подшипниках 21a и 2lb, закрепленных в диафрагмах 20а и 20b, которые одновременно служат торцевыми заглушками двух секций 11A и 11B радиального детандера. Сухие газовые уплотнения 22a и 22b вставлены во внутренние периферийные участки диафрагм 21a и 2lb, расположенные внутри относительно подшипников 21a и 2lb. На валу 13 ротора расположены лопасти 14a-14d крыльчатки, собранные во множество (в показанном варианте - четыре) ступеней на одну секцию 11А радиального детандера, и лопасти 14e-14h крыльчатки, собранные во множество (в показанном варианте - четыре) ступеней на другую секцию 11B радиального детандера, при этом направление лопаток одной ступени и направление лопаток другой ступени противоположны друг другу.

Кроме того, газовые входы 12a, 12b, сообщающиеся с всасывающими отверстиями 10a, 10b, упомянутые выше, сформированы между контактными поверхностями центральной диафрагмы 15 и диафрагм 16a, 16b, расположенных по обе стороны от нее, а газовые выходы 12c, 12d, сообщающиеся с выпускными отверстиями 10c, 10d, упомянутые выше, сформированы между контактными поверхностями двух диафрагм 20a, 20b, играющих роль заглушек, и соседних диафрагм 19a, 19b.

В промежуточных диафрагмах 17a, 18a, 19a и 17b, 18b, 19b, секций 11A и 11B радиального детандера, как показано на фиг. 2 и 3, сформированы круто изогнутые отводы (промежуточные каналы) 23 U-образного сечения. Эти круто изогнутые отводы 23 оснащены множеством (в показанном варианте - семнадцатью) сопловых лопаток 24 для формирования потока газа, соответствующего профилю лопаток 14a-14d и 14f-14h крыльчатки, и множеством (в показанном варианте - семнадцатью) возвратных лопаток 25 для формирования газового потока для входа на следующую ступень в эффективный газовый поток с высоким КПД Очевидно, что вышеупомянутые газовые входы 12a, 12b также имеют сопловые лопатки 24 для формирования газового потока, соответствующего профилям лопаток 14a, 14e крыльчатки. В представленном радиальном детандере, имеющем вышеописанную конфигурацию, когда газ с высокой температурой и под высоким давлением подается из установки на всасывающие отверстия 10a, 10b корпуса 10, секции 11A, 11B радиального детандера позволяют лопаткам 14a-14d и 14e-14h, расположенным в четыре ступени в каждой секции, повторять всасывание и расширение газа в четырех ступенях, тем самым утилизируя энергию и снижая потребление энергии приводным двигателем и т.п. вала 13 ротора. В настоящем варианте, поскольку имеется две секции 11A, 11B радиального детандера, достигается эффект снижения энергии, соответствующий сумме эффектов, получаемых от каждой из секций.

В настоящем варианте, кроме того, достаточно одного вала, такого как вал 13 ротора, хотя используется множество ступеней (строго говоря, восемь ступеней). По сравнению с известным радиальным детандером с зубчатой передачей или подобным устройством, достаточно использовать минимальное количество сухих уплотнений (а именно два сухих уплотнения 22a и 22b), при этом корпус может быть единым корпусом, который легко монтируется.

Кроме того, две секции 11A и 11B радиального детандера расположены между подшипниками 22a и 22b на одном валу 13 ротора. Поэтому задача обеспечения соосности вала является легко решаемой по сравнению с конструкцией, в которой используется множество валов и, кроме того, можно легко предотвратить вибрацию вала по сравнению с консольным расположением секций радиального детандера.

Помимо этого, две секции 11A и 11B радиального детандера содержат множество диафрагм 15, 16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20a, 20b (в которых сформированы крутоизогнутые отводы 23 и т.д., соединяющие ступени), соединенные в осевом направлении. Поэтому секции 11A и 11B радиального детандера можно легко и прочно собирать внутри единого корпуса 10.

Далее, две секции 11A и 11B радиального детандера позволяют газу течь в направлениях, противоположных друг другу. Поэтому они могут гасить давление друг друга, уравновешивая усилие, действующее на вал 13 ротора.

Дополнительно, две секции 11a и 11B радиального детандера соответственно имеют газовые входы 12a и 12b, сообщающиеся с всасывающими отверстиями 10a и 10b единого корпуса 10, и газовые выходы 12c и 12d, сообщающиеся с выпускными отверстиями 10c, 10d единого корпуса 10. Поэтому можно легко поменять количество секций. Следовательно, проблемы надежности машины в условиях высокого давления и большого перепада давления, такие как утечка газа или вибрации вала, устранены, и создан более надежный одноосный многоступенчатый радиальный детандер.

Очевидно, что настоящее изобретение не ограничено вышеописанным вариантом, и в него могут быть внесены различные изменения и модификации, например, количество секций радиального детандера и количество ступеней можно изменить, не выходя за пределы изобретательской идеи.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Радиальный детандер по настоящему изобретению может использоваться на установке и т.д. для всасывания газа высокого давления, выходящего из установки, расширения газа для утилизации энергии, и для утилизации отходящего газа, температура которого снижается при расширении, для подогрева охладителя.

ПОЗИЦИИ НА ЧЕРТЕЖАХ

10 - единый корпус

10a, 10b - всасывающее отверстие

10c, 10d выпускные отверстия

11a, 11B - секция радиального детандера

12a, 12b - газовый вход

13 - вал ротора

14a-14h - лопатки крыльчатки

15 - центральная диафрагма

16a, 16b, 17a, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b - промежуточные диафрагмы

20a, 20b - диафрагма как заглушка

21a, 2lb - подшипники

22A, 22b - сухое газовое уплотнение

23 - крутоизогнутый отвод (промежуточный канал)

24 - сопловая лопатка

25 - обратная лопатка

Изобретение относится к радиальному детандеру. Радиальный детандер содержит по меньшей мере одну секцию радиального детандера, расположенную в едином корпусе. Секция радиального детандера содержит лопатки крыльчатки, а также множество диафрагм. Лопатки крыльчатки скомпонованы в две или более ступени между подшипниками на одном валу. Диафрагмы соединены в осевом направлении. Каждая диафрагма содержит крутоизогнутый отвод для соединения соседних ступеней. Каждый из крутоизогнутых отводов снабжен сопловой лопаткой и возвратной лопаткой. Каждая секция имеет газовый вход и газовый выход. Газовый вход сообщается со всасывающим отверстием единого корпуса. Газовый выход сообщается с выпускным отверстием единого корпуса. Изобретение направлено на повышение надежности детандера. 4 ил.

Радиальный детандер, содержащий: по меньшей мере одну секцию радиального детандера, расположенную в едином корпусе, при этом секция радиального детандера содержит лопатки крыльчатки, скомпонованные в две или более ступени между подшипниками на одном валу, а также множество диафрагм, соединенных в осевом направлении, при этом каждая диафрагма содержит крутоизогнутый отвод для соединения соседних ступеней, при этом каждый из крутоизогнутых отводов снабжен сопловой лопаткой и возвратной лопаткой, причем каждая секция имеет газовый вход и газовый выход, причем газовый вход сообщается со всасывающим отверстием единого корпуса, а газовый выход сообщается с выпускным отверстием единого корпуса.