Турбодетандер Советский патент 1986 года по МПК F25B11/00 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к турбодетандерам криогенных систем. Целью изобретения является уменьшение теплопритоков к рабочему колесу. На фиг. 1 изображен предлагаемый турбодетандер; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Турбодетандер содержит помеш,енные в корпус 1 направляющий аппарат 2 и рабочее колесо, представляющее собой диск 3, на рабочей поверхности 4 которого имеются образующие сопла лопатки 5. К тыльной поверхности 6 диска 3 прикреплена (например, приклеена или напылена) теплоизолирующая накладка 7, наружный диаметр которой ,95Dt, где D - диаметр колеса. Имеется также дополнительный кольцеобразный теплоизолирующий элемент 8, расположенный в теЛе диска 3 концентрично ему (ось элемента 8 совпадает с осью 9 диска). При этом основание 10 теплоизолирующего элемента 8 примыкает к теплоизолирующей накладке 7, а основание 11 расположено в плоскости 12 диска, параллельной тыльной поверхности 6, на расстоянии Н от поверхности 6 (0,35-0,4)/т , где //« - вы колеса (расстояние вдоль оси 9 от тыльной поверхности 6 до наиболее удаленных от нее точек лопаток 5). Диаметр DI основания 11 равен (0,4-0,7)Dp, где Dp диаметр рабочей поверхности 4 в плоскости 12. Диаметр Di элемента 8 меньше или равен его диаметру D в любом поперечном сечении. В данном случае теплоизолирующий элемент 8 выполнен в виде конического кольца, т. е. D.Dz. Между тыльной поверхностью 6 и корпусом 1 имеется зазор 13, а между диском 3 и направляющим аппаратом 2 - зазор 14. Рабочее колесо насажено на вал 15, на котором установлено лабиринтное уплотнение 16 для уменьшения утечек продукта из зазора 13 в атмосферу. Накладка и элемент 8 выполнены толщиной, обеспечивающей уменьшение теплопритоков через них не менее чем на 90%. Турбодетандер работает следующим образом. Рабочую среду, например предварительно охлажденный воздух, подают на направляющий аппарат 2 турбодетандера, откуда она поступает на лопатки 5 рабочего колеса. При прохождении по образованным лопатками соплам рабочее тело (воздух) расширяется с совершением внешней работы, и его температура падает. Часть воздуха просачивается по зазору 14 между диском 3 рабочего колеса и направляющим аппаратом 2 в зазор 13. Поскольку это воздух нерасширенный и дополнительно подогретый, в результате трения о диск врашающегося рабочего колеса его температура значительно выше температуры на рабочей поверхности 4 диска 3 колеса. Под действием этого градиента температур (приблизительно 40-60 К) происходит приток тепла к рабочей поверхности колеса, что уменьщает охлаждение воздуха, движущегося по соплам образованным лопатками 5. Теплоизолирую щая накладка 7, прикрепленная к тыльной поверхности 6 диска 3, значительно увеличивает тепловое сопротивление рабочего коле са и, следовательно, снижает приток тепла к рабочей поверхности колеса. Вал 15 турбодетандера вращается в подшипниках, температура масла в которых достигает 340-350 К. В результате значительное количество тепла передается к рабочей поверхности колеса по валу 15. Кроме того, по валу может передаваться тепло от применяюилегося в некоторых видах турбодетандеров масляного тормоза. Теплоизолирующий элемент 8 уменьшает теплоприток со стороны вала и, следовательно, обуславливаемый им подогрев воздуха, движущегося по образованным лопатками соплам. Расстояние Н между основаниями 10 и 11 кольцеобразного теплоизолирующего элемента 8 должно быть равно не более 0,4 высоты колеса, а диаметр D основания 11 должен лежать в пределах (0,4-0,7) ди рабочей поверхности 4 диска 3 в плоскости 12, поскольку при большей величине расстояния Я между основаниями 10 и 11 (т. е. большей высоте элемента 8) либо при приближении элемента 8 к оси 9 или к рабочей поверхности 4 диска, обусловленном выполнением основания 11 с диаметром, меньшим или большим указанного, значительно уменьшается прочность рабочего колеса. Выполнение элемента 8 с расстоянием между основаниями меньшим Хот ,«„ „ 0,35Dp нецелесообразно, так как снижает эффект повышения КПД. Все это подтверждено экспериментально. Диаметр внешней теплоизолирующей накладки 7 выбирается исходя из следующих условий: увеличение диаметра приводит к повышению теплозащитных свойств элемента и в то же время к большим потерям КПД турбодетандера из-за увеличения толщины внешней кромки диска. Ввиду того, что указанные факторы дей ствуют в разных направлениях, существует оптимальный диаметр наружного теплоизоли рующего элемента, соответствующий максимуму КПД турбодетандера. Экспериментально установлено, что этот максимум достигается при D(0,92-0,925)Dft. Практически этот диаметр принят равным (0,9-0,95)О. Формула изобретения 1- Турбодетандер, содержащий корпус с направляющим аппаратом и размещенное в корпусе рабочее колесо, установленное на валу и выполненное в виде диска с лопатками на рабочей поверхности, отличающийся тем, что, с целью уменьшения теплопритоков к рабочему колесу, диск на тыльной стороне, противоположной рабочей поверхности, снабжен теплоизолирующей накладкой, имеющей диаметр D(0,9-0,95)Dfe, где Dk - диаметр колеса.

2. Турбодетандер по п. 1, отличающийся тем, что диск дополнительно снабжен кольцеобразным теплоизолирующим элементом, контактирующим больщим основанием с теплоизолирующей накладкой, при этом меньшее основание элемента расположено в теле диска параллельно его тыльной стороне на расстоянии от нее Я(0,35- 0,4)//fc и имеет диаметр Di(0,4-0,7)Dp, где Hk - высота колеса; Dp - диаметр диска в плоскости расположения меньшего основания кольцеобразного теплоизолирующего элемента.

ери г. 2