УЗЕЛ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F01D25/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к узлу турбомашины, в частности к интегральному узлу турбокомпрессора-турбодетандера.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Турбодетандеры широко используются для промышленного охлаждения, переработки нефти и газа и в низкотемпературных процессах. В некоторых известных применениях турбодетандеры используются в органических циклах Ренкина (organic Rankine cycle) (ORC).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Когда органический цикл Ренкина используется в применении к механическому приводу, турбодетандер обычно соединяют с турбокомпрессором, который используется для сжатия технологического газа. Соединение требует, чтобы технологический газ в цикле Ренкина был отделен от технологического газа, циркулирующего в турбокомпрессоре. Кроме того, турбодетандер и турбокомпрессор обычно работают на различных скоростях. По этим причинам турбокомпрессор нуждается в высокоскоростном вале, который соединяется с валом турбодетандера с помощью редуктора или гидравлической муфты, способных менять передаточное число. Два раздельных вала позволяют использовать два газа разделенными, а редуктор (или гидравлическая муфта) позволяет скорости турбокомпрессора отличаться от скорости турбодетандера.

Основным недостатком этого решения является то, что крепления двух валов и соединение между ними обычно подразумевают большое количество подшипников, уплотнений, сложных элементов (например, зубчатых колес) и вспомогательных элементов, тем самым увеличивая потери и стоимость.

Конструкция редуктора также ограничена с точки зрения мощности из-за неизбежных ограничений по мощности и размеру редуктора.

Следовательно, желательно модифицировать известные узлы турбокомпрессора-турбодетандера для того, чтобы достичь меньших потерь и затрат путем снижения общей сложности узла, в частности с точки зрения общего количества компонентов без ухудшения общей производительности узла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящее изобретение достигает поставленной цели путем разработки узла турбомашины, состоящего из:

- вала,

- радиального газового детандера, удерживаемого на валу между по меньшей мере одним первым подшипником и по меньшей мере вторым подшипником, и

- компрессора, удерживаемого на этом валу в консольном положении рядом с одним или другим из упомянутых первого и второго подшипников,

- упомянутый компрессор включает в себя множество подвижных входных сопел и упомянутый радиальный газовый детандер включает в себя множество подвижных направляющих лопаток.

Подвижные сопла и лопатки используются для регулирования общего процесса и получения максимальной эффективности машины в любых условиях эксплуатации. Это может быть сделано независимо для детандера и компрессора, тем самым давая возможность компрессору и детандеру работать с одинаковой скоростью, а значит, преодолевая необходимость наличия редуктора или гидравлической муфты между ними.

Другие преимущества настоящего изобретения достигаются с использованием узла турбомашины в соответствии с зависимыми пунктами формулы изобретения. Например, вставка уплотнения на валу между рабочими колесами детандера и компрессора позволяет им использовать два разных газа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего описания вариантов осуществления изобретения, рассматриваемых вместе с последующими чертежами, на которых:

- Фиг. 1 представляет вид сбоку в разрезе узла турбомашины в соответствии с настоящим изобретением;

- Фиг. 2 представляет схематическое изображение турбомашины, показанной на фиг. 1;

- Фиг. 3 представляет схематическое изображение возможного варианта в соответствии с настоящим изобретением для турбомашины, показанной на фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Со ссылкой на прилагаемые чертежи, узел 1 турбомашины содержит:

- вал 10, имеющий ось Y вращения,

- радиальный газовый детандер 2, удерживаемый на валу 10, в консольном положении.

В типичном варианте осуществления настоящего изобретения радиальный газовый детандер 2 вводится в состав органического цикла Ренкина, использующего подходящий органический газ, например циклопентан. Однако настоящее изобретение не ограничивается органическим циклом Ренкина или конкретным газом, с которым работает радиальный газовый детандер 2.

Турбодетандер 2 содержит первую ступень 2а высокого давления и вторую ступень 2b низкого давления. Рабочее вещество поступает в первую ступень 2а высокого давления турбодетандера 2, выходит из первой ступени 2а турбодетандера, чтобы пройти по межступенчатому пути 16 на вход второй ступени 2b низкого давления турбодетандера 2. Путь 16 содержит множество распорок 17 для направления газового потока из первой ступени 2а во вторую ступень 2b с целью оптимизации эффективности.

Со ссылкой на фиг. 1 и 2, рабочий газ поступает в ступень 2а высокого давления радиально, течет через первый набор подвижных входных направляющих лопаток 5а и затем через рабочее колесо ступени 2а высокого давления. Рабочий газ выходит из ступени 2а высокого давления аксиально и направляется с помощью межступенчатого пути 16 для поступления в ступень 2b низкого давления радиально после протекания через второй набор подвижных входных направляющих лопаток 5b. Рабочий газ выходит из ступени 2b низкого давления аксиально и направляется наружу турбодетандера 2 с помощью аксиального выхода 8.

В качестве альтернативы (фиг. 3), рабочий газ выходит из ступени 2b низкого давления аксиально и направляется наружу турбодетандера 2 с помощью радиального выхода 9.

В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения (не показаны) турбодетандер 2 является одноступенчатым турбодетандером или многоступенчатым турбодетандером, имеющим три или более ступеней.

В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения (не показаны) турбодетандер 2 представляет собой многоступенчатый турбодетандер, в котором некоторые ступени содержат подвижные входные направляющие лопатки, а другие ступени содержат фиксированные входные направляющие лопатки.

Во всех возможных вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна из ступеней турбодетандера содержит подвижный набор входных направляющих лопаток.

Радиальный газовый детандер 2 удерживается на валу 10 между первой группой подшипников 11, примыкающей к ступени 2а высокого давления, и второй группой подшипников 12, примыкающей к ступени 2b низкого давления. Группы подшипников 11, 12 являются традиционными и известными в данной области техники, и каждый из них представляет собой один или более подшипников магнитного, газового типа или подшипников со смазкой, или их комбинацию.

Со ссылкой на фиг. 1 и 2, центробежный компрессор 3 удерживается на валу 10 в консольном положении, примыкающем к первой группе подшипников 11.

В качестве альтернативы (фиг. 3), центробежный компрессор 3 удерживается на вал 10 в консольном положении, примыкающем ко второй группе подшипников 12.

В обоих вариантах осуществления на фиг. 2 и 3 рабочий газ поступает в турбокомпрессор 3 аксиально, течет через множество подвижных входных сопел 20, затем через рабочее колесо и, наконец, выходит из турбокомпрессора 3 радиально.

В общем, в соответствии с настоящим изобретением, множество подвижных входных сопел 20 является опциональным, и возможны варианты осуществления, в которых они отсутствуют.

Настоящее изобретение, однако, не ограничено конкретным видом турбокомпрессора, например, двухпоточный компрессор может быть использован вместо однопоточного компрессора.

Центробежный компрессор 3 обрабатывает, например, жидкий хладагент в системе СПГ (сжиженных природных газов) или газ, подаваемый в трубопровод.

В качестве еще одного альтернативного варианта осуществления (не показан) узел 1 турбомашины, когда турбодетандер 2 производит больше энергии, чем необходимо одному турбокомпрессору, содержит два консольных турбокомпрессора, соответственно примыкающих к первой и второй группе подшипников 11, 12. В качестве разновидности последнего варианта осуществления узел 1 турбомашины содержит один консольный турбокомпрессор и один консольный электрический генератор, соответственно примыкающие к первой и второй группе подшипников 11, 12.

Во всех вариантах осуществления компрессоры, будучи установленными на одном и том же валу 10 турбодетандера 2, работают с одной и той же скоростью n турбодетандера 2. Значение скорости n может быть постоянным или переменным.

Варианты осуществления на фиг. 2 и 3 могут работать с постоянной скоростью. В таких вариантах осуществления входные направляющие лопатки 5а, 5b и входные сопла 20 дают возможностью изменять рабочую точку турбодетандера 2 и турбокомпрессора 3, соответственно, для того, чтобы изменять, например, давление на входе/выходе или массовый расход каждого газа в турбодетандере 2 и в турбокомпрессоре 3. Рабочие точки турбодетандера 2 и турбокомпрессора 3 изменяются, следовательно, независимо друг от друга, без необходимости дифференцировать соответствующие скорости, тем самым давая возможность использовать один вал как для турбодетандера 2, так и для турбокомпрессора 3.

В других вариантах осуществления (не показаны), где отсутствуют подвижные входные сопла 20, рабочая точка турбокомпрессора может быть изменена посредством изменения скорости n вращения вала 10, в то время как рабочая точка турбодетандера 2 изменяется за счет использования входных направляющих лопаток 5а, 5b, соответственно. Рабочие точки турбодетандера 2 и турбокомпрессора 3, следовательно, изменяются независимо также в этих вариантах осуществления.

Между радиальным газовым турбодетандером 2 и турбокомпрессором 3 узел 1 турбомашины содержит два уплотнения 15, установленных на валу 10 в соответствующем положении, примыкающем к рабочим колесам турбокомпрессора ступени турбодетандера, которая находится ближе к турбокомпрессору (ступень высокого давления в варианте осуществления на фиг. 2, ступень низкого давления в варианте осуществления на фиг. 3). Уплотнения 15, которые являются традиционными и известными в данной области, позволяют отделять друг от друга два газа, соответственно протекающих в турбодетандере 2 и турбокомпрессоре 3, тем самым давая возможность использовать разные газы в турбодетандере 2 и в турбокомпрессоре 3.

Со ссылкой на фиг. 2 и 3, на аксиальном конце вала 10, напротив турбокомпрессора 3, узел 1 турбомашины дополнительно содержит балансировочный цилиндр 19 для компенсации суммы аксиальных усилий, создаваемых при работе турбодетандером 2 и турбокомпрессором.

Хотя раскрытые варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, были показаны на чертежах и подробно описаны выше с деталями в отношении нескольких примеров осуществления, для специалистов в данной области техники будет очевидно, что возможны многочисленные модификации, изменения или исключения без существенного отхода от принципов и концепций изобретения, изложенных в настоящем документе, и преимуществ изобретения, выполненного согласно приложенной формуле изобретения. Следовательно, должный объем раскрытого изобретения следует определять только с помощью самой широкой интерпретации приложенной формулы изобретения таким образом, чтобы охватывать все такие модификации, изменения и исключения.

Изобретение относится к узлу турбомашины, в частности к интегральному узлу турбокомпрессора-турбодетандера. Узел турбомашины содержит: вал, радиальный газовый детандер, удерживаемый на валу между первым и вторым подшипником и компрессор, удерживаемый на валу в консольном положении рядом с одним из упомянутых подшипников, при этом компрессор содержит множество подвижных входных сопел, а радиальный газовый детандер содержит множество подвижных направляющих лопаток. Изобретение направлено на повышение производительности установки. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Узел (1) турбомашины, содержащий:

вал (10),

радиальный газовый детандер (2), удерживаемый на валу (10) между по меньшей мере одним первым подшипником (11) и по меньшей мере одним вторым подшипником, и

компрессор (3), удерживаемый на валу (10) в консольном положении рядом с одним или другим из упомянутых первого и второго подшипников (11, 12),

при этом упомянутый радиальный газовый детандер (2) содержит множество подвижных направляющих лопаток (5а, 5b).

2. Узел (1) турбомашины по п. 1, в котором упомянутый компрессор (3) содержит множество подвижных входных сопел (20).

3. Узел (1) турбомашины по п. 1 или 2, в котором радиальный газовый детандер (2) содержит по меньшей две радиальные ступени (2а, 2b).

4. Узел (1) турбомашины по п. 3, в котором по меньшей мере одна из радиальных ступеней (2а, b) содержит подвижный набор входных направляющих лопаток (5а, 5b).

5. Узел (1) турбомашины по п. 4, в котором каждая радиальная ступень (2а, 2b) содержит соответствующий подвижный набор входных направляющих лопаток (5а, 5b) и каждый набор приводится в действие независимо от другого набора.

6. Узел (1) турбомашины по любому предыдущему пункту, в котором на упомянутом валу (10) между компрессором (3) и радиальным газовым детандером (2) имеется по меньшей мере уплотнение (15).

7. Узел (1) турбомашины по любому предыдущему пункту, в котором первый технологический газ сжимается в упомянутом компрессоре (3), а второй технологический газ расширяется в упомянутом радиальном газовом детандере (2).

8. Узел (1) турбомашины по любому предыдущему пункту, в котором упомянутый радиальный газовый детандер (2) является частью органического цикла Ренкина.

9. Узел (1) турбомашины по любому предыдущему пункту, в котором упомянутый вал (10) работает с переменной скоростью.

10. Узел (1) турбомашины по любому из пп. 1-8, в котором упомянутый вал (10) работает с постоянной скоростью.