Турбодетандерный агрегат Советский патент 1983 года по МПК F25B11/00 

1

Изобретение относится к низкотемпературным турбодетандерам, применяемым в криогенных установках, которые предназначены для ожижения и разделения газов и охлаждения различных сверхпроводящих устройств.

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

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

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

Другой особенностью турбодетандера является тр, что тормозная ступень работает при температуре выше окружающей среды, а турбинная ступень находится 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 торможения.

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

Недостатком указанного турбодетандера является то, что в тормозную ступень маши1 1, узел подшипниковых опор и в лабиринтное уплотнение подается газ при температуре окружающей среды, чем предопределяется повышен3 Uный 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 отводится из машины при низкой температуре/ и. выяосимый 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 яние 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 изобретения является повыше ние производительности при работе аг регата на низком температурном уровне. Поставленная цель достигается тем что агрегат дополнительно ч;одержит ванну с жидким хладагентом, размещен ную в кожухе, и последовательно соединенные по прямому 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 циркуляционным контуром, а второй - с. отводом паров хладагента из ванны. Кроме того, в валу выполнены радиальные и осевое отверстия, 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 опирается на газовые подшипники 7 питаемые газом под давлением через входной патрубок 8. В корпусе 1 в зоне лабиринтно14го уплотнения 3 вала 2 выполнен кольцевой коллектор 9 для обеспечения 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 для подпитки тормозного циркуляционного контура 17, Для предварительного охлаждения газа, идущего на подшипники 7, поддув в уплотнение 3 и подпитку .газа тормозного контура 17, установлены последовательно два теплообменника предварительного охлаждения: теплообменник 18, ирпользующий отработанный холодный газ из подшипников 7 иуплотнения 3, выходящий через камеру 19 и патрубок 20, и теплообменник 21, охлажда§мый парами хладагента, испарившегося 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 охлаждения 18 и 21 заключен в изоляционный кожух 23 с эффективной изоляцией 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. Энергия газа передается на тормозное колесо 6 и снимается газом тормозного циркуляционного контура 17, охлаждаемого в теплообменнике 15, расположенном в ванне 12, в которую подается жидкий хладагент. Два потока газа: один - подаваемый в подшипники 7 и лабиринтное уплотнение 3 и второй - на поддув газа цч,ркуляционного тормозного контура 17 проходят последовательно теплообменники предварительного охлаждения 18 и 21, затем постдоают в теплообменники И, 15 и 16, расположенные в ванне 12, где охлаждаются 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. Для регулирования давления газа в кольцевом коллекторе 9, посредство которого осуществляется 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 для предварительного охлаждения 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 расширяемого 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, образовавшиеся в ванне 12, через патрубок 22 отводятся в межпатрубное пространство теплообменника 21 и служат для предварительного охлаждения 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 позволяет существенно уменьшить теплопритоки к турбинной ступени за сче установки ванны с жидким хладагентом, которая является экраном. Так, например, Е турбодетандерах криогенных галиевых установок выполненных по прилагаемой схеме, значительн10 уменьшены теплопритоки по самой машине, так как температурный градиент - ДТ снижается в зависимости от ступени охлаждения с 350-300 до 75-1°С. Кроме того, турбодетандер полумается более Нодежным 1з работе вследствие снижения температурных деформаций корпуса, особенно вала и подшипниковых опор. Другим важным достоинством предлагаемого решения является существенное со1фа1«ение потерь холода с утечкой газа через лабиринтное уплотнение вала, которая идет на предварительное охлаждение. Особую актуальность это решение приобретает для турбодетандероа криогенных гелиевых установок, так как даже незначительная утечка холодного газа турбинной ступени через лабиринтное уплотнение вала может приводить к существенной и даже полной потере холодопроизводительности турбодет андеров., ; Циркуляция холодного газа в тормозном контуре позволяет уменьшить размеры тормозного колеса, что повышает виброустойчивость ротора турбодетандера и соответственно надежность его работы. Формула изобретения 1, Турбодетандерный агрегат, содержащий изоляционный кожух, в котором расположен вбгррённый теплообменник, корпус с установленными на валу в газовых подшипниках турбиной . и газодуйкой с газовым циркуляционным контуром, и .систему уплотнений турбины и газодувки, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности при работе агрегата на низком температурном уровне, агрегат дополнительно содержит ванну с жидким хладагентом, размещенную в кожухе, и последовательно соединен ные по прямому 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 циркуляционным контуром, а второй - с отводом паров хладагента из ванны. 2 о Агрегат по п, 1, отличающийся тем, что в валу выполнены радиальные и оСевое отверстия , соединенные с проточной частью турбины. 1 Источники информации, принятые ео внимание при экспертиаь . 1. Епифанова В„И, Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. М,, Машиностроение, 197, с« 382. 2. Давыдов А.Б. и др. Высокоскоростные, турбодетандеры с газовыми подшипниками для криогенной галиевой установки - Химическое и нефтяное машиностроение, 1975, № 9, с, 23,