Турбодетандер

51) Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ИЗОБРЕТЕН ПАТЕ 43-44но-иссл атепьскии инс И.; Захарова о-исследовательский инстиПИСАН(Т 1) Всесоюзный научтут гелиевой техники(УЭ) Всесоюзный научи тут гелиевой техники(54) ТУРБОДЕТА НДЕР (5 У) Использование. в криоген ность изобретения: выпопнени потнения со стороны тормозног вающего с лабиринтным упло колеса камеру наддува, к катар наддува, способствует разгрузк ой технике. Сущпабиринтного упколеса, ограничинением турбинного й подведена линия осевых опор. 1 ил.5101520 30 35 4050 Изобретение относится к холодильной технике, в частности к расширительным турбомашинам, предназначенным для получения холода.Известны микротурбодетандеры 1) с гаэодинамическими лепестковыми опорами, которые наряду со многими преимуществами имегот существенный недостаток - обладагот пониженной несущей способностью, что является серьезным препятствием при их использовании в высокоскоростных турбомашинах. Для снижения осевых нагрузок на осевые опоры в машинах такого типа используются рабочие колеса с малой степенью реактивности, что приводит к снижению эффективности турбадетандера.Известен также турбодетандер 2, принятый за прототип, содержащий корпус, лепестковые газодинамические радиальные и осевые опоры, ротор, выполненный в виде ступенчатого вала с турбинным и тормозными колесами на концах и с лабиринтным уплотнением со стороны турбинного колеса,Недостатком этого турбодетандера является наличие сложного устройства для разгрузки осевых опор, выполненного в виде постоянного магнита, который должен обладать большой коэрцитивной силой. Регулирование разгружающего усилия в них невозможно, кроме того, магнитные сплавы дефицитны и дороги.Цель изобретения - повышение надежности и расширение области применения турбодетандеров за счет воэможности разгрузки осевых опор при создании машин с более вь 1 сокими степенями расширения газа.Цель достигается тем, что в турбодетандере, содержащем корпус с размещенным внутри него на лепестковых газодинамических радиальных и осевых опорах ротором, выполненным в виде ступенчатого вала. с турбинным и тормозным колесами на концах и лабиринтным уплотнением со стороны турбинного колеса, со стороны тормозного колеса также выполнено лабиринтное уплотнение, которое вместе с лабиринтным уплотнением турбинного колеса ограничивает камеру наддува, в которой размещен вал с лепестковыми опорами и к которой через подведена линия наддува,На чертеже схематически показана конструкция турбодетандера.Турбодетандер содержит корпус 1 с размещеннь 1 м внутри него ротором, выполненным в виде ступенчатого вала 2 с диаметрами д и о 2 с пятой 3 и консольно расположенными на нем колесом турбины 4 и тормозным колесом 5. Вал 2 опирается на лепестковые газодинамические радиальные 6 и осевые 7 опоры,Со стороны турбинного колеса 4 выполнено лабиринтное уплотнение 8 диаметром б 1, изолирующее полость 9 проточной части турбины 4, а со стороны тормозного колеса 5 также выполнено лабиринтное уплотнение 10 диаметром б 2, изолирующее полость 11 проточной части тормозного колеса 5 и образующее совместно с лабиринтным уплотнением 8 пневматически изолированную камеру 12 наддува, к которой подведена линия 13 наддува рабочего газа.Диаметр вала под лабиринтные уплотнения полости тормозного колеса 5 б 2 определяется из равенства4 Ез02 - д 1 " - при условиикРг 1+ 2+ г 3одопгде б 1 - диаметр вала под лабиринтным уплотнением турбинного колеса, м;б 2 - диаметр вала под лабиринтным уплотнением тормозного колеса, м; Р - давление в камере наддува, Па; Г 1 - осевая сила, действующая со стороны турбины, Н;Е 2 - осевая сила, действующая со стороны тормозного колеса, Н; Гз - осевая сила, разгружающая осевуюопору, Н; одоп - допустимая нагрузка на осевуюопору, Н,Турбодетандер работает следующим образом.Сжатый гаэ, предварительно охлажденный в системе теплообменников криогенной установки, расширяется на лопатках колеса турбины 4 и в проточной части 9, Этот процесс сопровождается понижением температуры рабочего газа, Энергия сжатого газа преобразуется в механическую энергию вращающегося колеса турбины 4, передается через вал 2 на тормозное колесо 5 газодувки и расходуется на сжатие газа, циркулирующего в тормозном контуре. Лабиринты уплотнения 8 препятствуютперетоку холодного газа из проточной части 9 колеса 4 турбины в камеру 12 наддува подшипниковых опор, а лабиринтные уплотнения 10 изолируют проточную часть 11 тормозного колеса 5 от камеры.1 наддува подшипниковых опор, создавая в опорах зону регулируемого давления -камеру 12 наддува, которая позволяет через линию 13 наддува поднять в ней давление до значений, близких, но не превышающих величины давления на входе в колесо турбины, Варьирование величиной давления Р поэво2003931 ляет регулировать величину раэгружающего усилия в предлагаемом пневматическом устройстве, так как оно прямо пропорционально давлению в камере 12 наддува. Повышение давления приводит к двойному 5 положительному эффекту: во-первых, повышается несущая способность как радиальных, так и осевых опор. Это обьясняетоя тем, что вращающийся вал 2 увлекает в рабочие зазоры опор более плотный газ. Ре зультирующая сила избыточного давления газа, генерируемого в рабочих зазорах опоры, которую принято называть несущей способностью опоры, возрастает. Во-вторых, снижается или полностью устраняется осе вая нагрузка на подпятник благодаря появ-. лению силы Рз, зависящей от разницы в диаметрах лабиринтных уплотнений 10 и 8,Таким образом, несущая способность осевой опоры становится достаточной для вос приятия осевой нагрузки.Необходимость регулирования возникает при работе турбодетандера на различ 25 шения надежности и расширения области применения за счет разгрузки осевых опор, са стороны тормозного колеса также выполнено лабиринтное уплотнение, кото 30 рое вместе с лабиринтным уплотнением турбинного колеса ограничивает камеру наддува, через которую проходит вал и к которой через корпус подведена линия наддува.. Формула изо б р етен и я ТУРБОДЕТАНДЕР, содержащий корпус с размещенным внутри него на лепестковых газодинамических радиальных и осевых опорах ротором, выполненным в виде ступенчатого вала с турбинным и тормозным колесами на концах и с лабиринтным уплотнением со стороны турбинного колеса. отличающийся тем, что, с целью повыных режимах, например, в ожижительномили рефрижераторном режимах, а также врежиме эахолаживания криогенной установки, в которую он входит,Повышениенесущей способности опор и разгрузка обеспечивают их надежную работу с большим ресурсом, одновременно повышая ремонтопригодность и эффективность турбодетандеров. Замена традиционных турбодетандеров с газостатическими опорами на турбодетандеры предлагаемой конструкции в криогенных установках позволит сократить время их захолаживания в 2 раза, а также увеличить их холодолроизводительн ость.