Турбодетандерный агрегат

Оп ИСАНИв ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсиикСоциалистическикРеспублик(22) Заявлено 06. 02. 81 (21) 321111382/23-06с присоединением заявки РЙ -(088. 8) ве аевам изобретения и вткрытикДата опубликования описания 15.03.83 ф."а%а,рА,Б. Давыдов, А,Ш. Кобулашвили, В, Д, Щербаков, В.Д.,Вийоградстеий,: ,и А, б, Чернышевь -.:".Ъ у Б.(72) Авторы изобретения Всесоюзный науцно-исследовательский институт.(54) ТУРБОДЕТИНДЕРНЫЙ АГРЕГАТ 15 20 1Изобретение относится к низкотемпературным турбодетандерам, применяемым в криогенных установках, которые предназнацены для ожижения и разделения газов и охлаждения различных сверхпроводящих устройств, . 5Известны ниэкотемпературные турбодетандеры с газовыми опорами, которые устанавливаются непосредственно на блок установки 11.Отличительной особенностью работы1 О криогенных турбодетандеров является крайне низкий температурный уровеньработы турбинной ступени. В таких условиях эффективность работы турбодетандеров в значитель" ной 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 кор" пусу и валу машины. 2Другой особенностью турбодетанде. ра является то, что тормозная ступень работает притемпературе 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.ляционнйм контуром, и сйстему уплот" нений турбины и газодувки ( 2 1.Недостатком указанного турбодетандера является то, что в тормозную ступень машины, узел подшипниковых опор и в лабиринтное уплотнение пода ется гаэ при температуре окружающей среды, чем предопределяется повышен3 100472ный теплоприток к турбинной ступени,работающей при криогенных температурах. Как следствие этого происходит снижение эффективности работытурбодетандера. 3Кроме того, в данной конструкцииутечка газа по лабиринтному уплотнению вала отводится из машины принизкой температуре, и. выносимый сэтой утечкой низкотемпературный хо елод существенно снижает холодопроиэводительность всей установки в целом.Вследствие большого градиента температур вдоль продольной оси машинывозникают температурные деформации 13вала и подШипниковых опор, что приводит к снижению надежности работытурбодетандера,При снижении рабочей температурыв турбинной ступени отрицательное вли еяние указанных:.недостатков на эффективность и"работоспособность турбодетандера резко возрастает. При использовании турбодетандера в областитемператур 4-20 К указанные недостат,ки могут привести к полной потере работоспособности машины.Целью изобретения является повышение производительности при работе агрегата на низком температурном уровне.Поставленная цель достигается тем,чтоагрегат дополнительно содержитванну с жидким хладагентом, размещенную в кожухе, и последовательно соединенные по прямому потоку со встроенным теплообменником дополнительныетеплообменники, один иэ которых пообратному потоку соединен с отводомгаза из подшипников, а также из системы уплотнений турбины и с циркуляционным контуром, а второй - с. отво"дом паров хладагента иэ ванны.Кроме того, в валу выполнены радиальные и осевое отверстия, соединенные с проточной. частью турбины.На фиг. 1 представлен турбодетан"дер, разрез, на фиг. 2 - вариант отвода утечки из турбинной ступени в выходной диффуэор турбодетандера.В корпусе 1 турбодетандера (Фиг,1) фвразмещены вал 2 с лабиринтным уплотнением 3 турбинной ступени 4, на котором кансольно закреплены рабочееколесо турбины 5 и колесо тормознойгазодувки 6. Вал 2 опирается на га- ффзовые подшипники 7, питаете газомпод давлением через входной патрубок8. В корпусе 1 в зоне лабиринтно 1 4го уплотнения 3 вала 2 выполнен колцевой коллектор 9 для обеспечения холодного поддува газа в уплотнение 3через эапорный вентиль 10 и патрубок 11. В кожухе со стороны тормозного колеса б размещена ванна 12 жидкого хладагента, подаваемого по патрубку 3. В ванне 12 расположенытри теплообменника: теплообменник 14газа, идущего в узел подшипниковыхопор 7 и на поддув в уплотнение 3,теплообменник 15 газа, идущего в тормозную газодувку 6, теплообменник 16газа для подпитки тормозного циркуляционного контура 17,Дпя предварителного охлаждениягаза, идущего на подшипники 7, поддувв уплотнение 3 и подпитку .газа тормозного контура 17, установлены последо"вательно два теплообменника предвари/тельного охлаждения: теплообменник 18,использующий отработанный холодный газ,из подшипников 7 иуплотнения 3, выхо"дящий через камеру 19 и патрубок 20,и теплообменник 21, охлаждаемый парами хладагента, испарившегося из ванны12, подаваемыми через патрубок 22.Иежтрубное пространство теплообменни,ка 21 соединено с патрубком 22 выходапаров хладагента из ванны 12,Турбодетандер с теплообменниками14, 15 и 16, расположенными в ванне12, и теплообменниками предварительного охлаждения 18 и 2 1 заключен визоляционный кожух 23 с эффективнойизоляцией 24, защйщающей от теплопритоков из окружающей среды (например, вакуумной, экранно-вакуумнойи др,),На фиг. 2 кольцевой коллектор 9соединен радиальным сверлением 23в вале 2 и осевым сверлением 24 ввале 2 и рабочем колесе 5 с выходнымдиффуэором 25 рабочего газа.Турбодетандер работает следующимобразом.Рабочий газ проходит через турбинную ступень 4 и вращает вал 2 срабочим колесом турбины 5 и колесом6 тормозной газодувки. Энергия газапередается на тормозное колесо 6 иснимается газом тормозного циркуляционного контура 17, охлаждаемого втеплообменнике 15, расположенномв ванне 12, в которую подается жидкий хладагент,Два потока газа: один - подаваемый в подшипники 7 и лабиринтное5 100472уплотнение 3 и второй - на поддувгаза цыркуляционного тормозного кон"тура 17, проходят последовательнотеплообменники предварительнрго охлаждения 19 и 21, затем постЬают втеплообменники 14, 15 и 16, распо"ложенные в ванне 12, где охлаждаютсяжидким хладагентом.После теплообменника 14 охлажденный гаэ через патрубок 8 поступает ,10в подшипники 7 и через запорный вентиль 10 и патрубок 11 - в кольцевойколлектор 9.Для регулирования давления газав кольцевом коллекторе 9, посредством 15которого осуществляется запираниехолодной. утечки рабочего газа иэ турбинной ступени 4 по лабиринтному уп.лотнению 3 вала 2, предусмотрен вентиль 10 перед входным патрубком 11. 20.Отработанный газ из подшипников7 и утечка холодного газа из турбинной ступени 4 через лабиринтное уплотнение 3 попадают в камеру 19 сброса газа из подшипников 7 и через па трубок 20 - в меитрубное пространствотеплообменника Я для предварительного охлаждения потоков газа, идущихв теплообменник 21 и ванну 12,При втором возможном варианте З 0(Фиг. 2) отвод холодной утечки можетбыть осуществлен через кольцевой коллектор 9, радиальное сверление 23 ввале 2 и осевое сверление 24 в вале2 и рабочем колесе 5 в выходной диф-.фузор 25 основного потока расширяеьюго газа турбинной ступени 4, Вэтом случае входной патрубок 11 свентилем 10 отсутствуют или вентиль10 г"лностью закрыт,40ФЬанна 12 с жидким хладагентом служит экраном от теплопритоков по корпусу 1 и валу 2 в турбинную сту пень 4 машины.Нары хладагента, образовавшиеся в ванне 12, через патрубок 22 отводятся в межпатрубное пространство теплообменника 21 и служат для предварительного охлаждения потоков газа, идущих на теплообменники 14 и 16,50 расположенные в ванне 12, и в конечном итоге идут на подшипники 7, в лабириытное уплотнение 3 и на поддув газа в тормозной контур 17.55Предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить теплопритоки к турбинной ступени за счет 6установки ванны с жидким хладагентом,которая является экраном,Так, например, т. турбодетандерахкриогенных галиевых установок выполненных по прилагаемой схеме, значи"тельно уменьшены теплопритоки по са"мой машине, так как температурныйградиент - Т снижается в зависимостиот ступени охлаждения с 350-300 до75-1 С.Кроме того, турбодетандер. получа"ется более надежным в работе вследствие снижения температурных .дефор"маций корпуса, особенно вала и под"шипниковых опор.. Другим важным достоинством предлагаемого решения является существенное сокращение потерь холода сутечкой газа через лабиринтное уплот"нение вала, которая идет на предва"рительное охлаждение.Особую актуальность это решениеприобретает для турбодетандеров криогенных гелиевых установок, так какдаже незначительная утечка холодногогаза турбинной ступени через лабиринт"ное уплотнение вала может приводить ксущественной и даже полной потере холодопроизводительности турбодетанде"ров.,Циркуляция холодного газа в тормоз-. ном контуре позволяет уменьшить размеры тормозного колеса, что повышает виброустойчивость ротора турбодетан" дера и соответственно надежность его работы.Формула изобретения1. Турбодетандерный агрегат, содержащий изоляционный кожух, в котором расположен всгроенный теплообменник, корпус с установленными на валу в газовых подшипниках турбиной . и гаэодуВ" кой с газовым циркуляционным контуром, и .систему уплотнений турбины и газодувки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производи" тельности при работе агрегата на низком температурном уровне, агрегат дополнительно содержит ванну с жидким хладагентом, размещенную в ко" жухе, и последовательно соединенные по прямому потоку со встроенным теплообиенником дополнительные теплообменники, один из которых по об" ратному потоку соединен с отводом7 10 газа иэ подшипников, а также из системы уплотнений турбины и с циркуляционным контуром, а второй - с отводом паров хладагента из ванны. 2. Агрегат по и, 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в валу выполнены радиальные и осевое отверстия, соединенные с проточной частью турбины. 04721Источники информации, принятые во внимание при экспертиз1. Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры, И., Машиностроение 19 74, с. 382.2. Давыдов А.Би др. Высокоскоростные, турбодетандеры с газовыми подшипниками для криогенной галиевой установки. - нХимическое и нефтяное машиностроение" 1975, Ю 9, с. 23.