Турбодетандерный агрегат

 

Оп ИСАНИв

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсиик

Социалистическик

Республик (11) ) 00472t (6I ) Дополнительное к авт. свих-ву (22) Заявлено 06. 02. 81 (21) 3244382/23-06 с присоединением заявки РЙ— (23) Приоритет.{51)М. Кл.

F 25 В 11/00

Г46) аарстееввьФ кеювтет

СССР

Опубликовано 15. 0 3, 83. Бюллетень М 10 (S3) УДК 621.57 (088. 8) te аевем взабре еввв и вткрытик

Дата опубликования описания 15.03.83

А.S. Давыдов, А,Ш. Кобулашвили, В, Д, Щербаков, !В.Д.,ВийогрЩстеий.: „, и А,Б.Чернышев ь .- :".

s:, (72) Авторы изобретения

Всесоюзный научно-исследовательский институт Телиевая техника" (7! ) Заявитель.(54) ТУРБОДЕТИНДЕРНЫЙ АГРЕГАТ

1

Изобретение относится к низкотемпературным турбодетандерам, применяемым в криогенных установках, которые предназначены для ожижения и разделения газов и охлаждения различных сверхпроводящих устройств. . 5

Известны ниэкотемпературные турбодетандеры с газовыми опорами, которые устанавливаются непосредственно на блок установки (11.

Отличительной особенностью работы

1О криогенных турбодетандеров является крайне низкий температурный уровень работы 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.

Дру гой особенност ью турбодетандера является то, 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.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 100472 ный 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 выносимый с этой утечкой низкотемпературный хо- !е лод существенно снижает холодопроиэводительность всей установки в целом.

Вследствие большого градиента температур вдоль продольной оси машины возникают температурные деформации tS вала и подшипниковых опор, что приводит к снижению надежности работы турбодетандера, При снижении рабочей температуры в турбинной ступени отрицательное вли- е яние указанных:.недостатков на эффективность:и"работоспособность турбодетандера резко возрастает. При использовании турбодетандера в области температур 4-20К 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, что..агрегат дополнительно содержит ванну с жидким хладагентом, размещенную в кожухе, и последовательно соединенные по прямому потоку со встроенным теплообменником дополнительные теплообменники, один иэ 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 иэ 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 выходной диффуэор турбодетандера.

В корпусе 1 турбодетандера (Фиг,1) размещены вал 2 с лабиринтным уплотнением 3 турбинной ступени 4, на котором кянсольно закреплены рабочее колесо турбины 5 и колесо тормозной газодувки 6. Вал 2 опирается на газовые подшипники 7, питавшее газом под давлением через входной патрубок

8. В корпусе 1 в зоне лабиринтно1 4

ro уплотнения 3 вала 2 выполнен кол»цевой коллектор 9 для обеспечения холодного поддува газа в уплотнение 3 через эапорный вентиль 10 и патрубок 11. В кожухе со стороны тормозного колеса 6 размещена ванна 12 жидкого хладагента, подаваемого по патрубку !3. В ванне 12 расположены три теплообменника: теплообменник 14 газа, идущего в узел подшипниковых опор 7 и на поддув в уплотнение 3, теплообменник 1$ газа, идущего в тормозную газодувку 6, теплообменник 16 газа для подпитки тормозного циркуляционного контура 17, Дпя предварител»ного охлаждения газа, идущего на подшипники 7, поддув в уплотнение 3 и подпитку .газа тормозного контура 17, установлены последа" вательно два теплообменника предвари/

А 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 ванны

12, подаваемыми через патрубок 22.

Иежтрубное пространство теплообменни.ка 21 соединено с патрубком 22 выхода паров хладагента из ванны 12

Турбодетандер с теплообменниками

14, 15 и 16, расположенными в ванне

12, и теплообменниками предварительного охлаждения 18 и 2 1 заключен в изоляционный кожух 23 с эффективной изоляцией 24, защйщающей от теплопритоков из окружающей среды (например, вакуумной, экранно-вакуумной и .др.) .

На фиг. 2 кольцевой коллектор 9 соединен радиальным сверлением 2ф в вале 2 и осевым сверлением 24 в вале 2 и рабочем -колесе 5 с выходным диффуэором 25 рабочего газа.

Турбодетандер работает следующим образом.

Рабочий газ проходит через -турбинную ступень 4 и вращает 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 1, расположенном в ванне 12, в которую подается жидкий хладагент, Два потока газа: один - подаваемый в подшипники 7 и лабиринтное

5 10а 472

:уплотнение 3 и второй - на поддув газа цыркуляционного тормозного кон" тура 17, проходят последовательно теплообменники предварительнрго охлаждения 1g и 21, затем пост®ают в теплообменники 14, 15 и 16, pacno" ложенные в ванне 12, где охлаждаются жидким хладагентом. После теплообменника 14 охлажденный гаэ через патрубок 8 поступает в подшипники 7 и через запорный вентиль 10 и. патрубок 11 - в кольцевой коллектор 9.

Для регулирования давления ra3a в кольцевом коллекторе 9, посредством 15 которого осуществляется запирание холодной 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 подшипников

7 и утечка холодного газа из турбинной ступени 4 через лабиринтное уплотнение 3 попадают в камеру 19 сброса газа из подшипников 7 и через па-25 трубок 20 - в меитрубное пространство теплообменника ° f8 для предварительного охлаждения потоков газа, идущих в теплообменник 21 и ванну 12.

При втором возможном варианте З0 (фиг. 2) отвод холодной утечки может быть осуществлен через кольцевой коллектор 9, радиальное сверление 23 в вале 2 и осевое сверление 24 в вале

2 и рабочем колесе 5 в выходной ди0фузор 25 основного потока расширяеьюго газа турбинной ступени 4. Вэтом случае входной патрубок 11 с вентилем 10 отсутствуют или вентиль

10 -г" лностью закрыт.

1 6 установки ванны с жидким хладагентом, которая является экраном.

Так, например, т. турбодетандерах криогенных галиевых установок выполненных по прилагаемой схеме, значи" тельно уменьшены теплопритоки по самой машине, так как температурный градиент - Т снижается в зависимости от ступени охлаждения с 350-300 до

75-1 С.

Кроме того, турбодетандер. получается более надежным в работе вследствие снижения температурных .дефор" маций корпуса, особенно вала и подшипниковых опор.

Другим важным достоинством предлагаемого решения является существенное сокращение потерь холода с утечкой газа через лабиринтное уплотнение вала, которая идет на предва" рительное охлаждение.

Особую актуальность это решение приобретает для турбодетандеров 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 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 изобретения

Ьанна 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, s лабириытное уплотнение 3 и на поддув газа в тормозной контур 17.

S5

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно уменьшить теплопритоки к турбинной ступени за счет

1. Турбодетандерный агрегат, содержащий изоляционный кожух, в котором расположен встроенный теплообменник, корпус с установленными на валу в газовых подшипниках турбиной . и гаэодуВкой с газовым циркуляционным контуром, и .систему уплотнений турбины и газодувки, отличающийся тем, что, с целью повышения производи" тельности при работе агрегата на низком температурном уровне, агрегат

1 дополнительно содержит ванну с жидким хладагентом, размещенную в кожухе, и последовательно соединенные по прямому потоку со встроенным теплоооменником дополнительные теплообменники, один из которых по обратному потоку соединен с отводом

7 1О газа иэ подшипников, а также из системы уплотнений турбины и с циркуляционным контуром, а второй - с отводом паров хладагента из ванны.

2. Агрегат пои, 1, о тлич а ю шийся тем, что в валу выполнены радиальные и осевое отверстия, соединенные с проточной частью турбины.

04721

И ст очи и ки и н форма ц и и, принятые во внимание при экспертиз

1. Епифанова В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры.

М,, "Машиностроение", 19 74, с. 382.

2. Давыдов А.Б.. и др. Высокоскоростные, турбодетандеры с газовыми подшипниками для криогенной галиевой установки. - "Химическое и нефтяное

1маеиностроение", 1975, t 9, с. 23.

300472 }

ВНИИПИ Заказ 3844/48 Тираж 528 Подписное ю ююю ю юю » ю ю»юмам филиал ППО, "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4