Турбодетандер

 

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к турбодетандерным установкам. Цель изобретения состоит в повышении надежности в работе турбодетандера, а также в улучшении его регулировочных характеристик за счет снижения частоты вращения насосного колеса. Поставленная цель достигается тем, что в предложенной конструкции ротор 1 турбодетандера с рабочим колесом 2 расположен на опорных гидродинамических подшипниках . На роторе 1 выполнена шестерня 3, состоящая из зубчатой передачи и фрикционных роликов. Шестерня 3 сопряжена с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 25 В 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (54) ТУРБОДЕТАНДЕ Р

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{21) 4768222/06 (22) 13.12.89 (46) 15.04.92. Бюл. hL 14 (71) Николаевский кораблестроительный институт им. адм. С.О.Макарова (72) А.И.Тарабрин и А.К.Чередниченко

{53) 621.5.7(088.8) (56) Давыдов А.Б., Кабулашвили А.М„Шерстюк А.Н. Расчет и конструирование турбодетандеров. М.: Машиностроение, 1987, с.

166, рис. 7.5.

SU 1726929 А1 (57) Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к турбодетандерным установкам. Цель изобретения состоит в повышении надежности в работе турбодетандера, а также в улучшении его регулировочных характеристик за счет снижения частоты вращения насосного колеса.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенной конструкции ротор 1 турбодетандера с рабочим колесом 2 расположен на опорных гидродинамических подшипниках. На роторе 1 выполнена шестерня 3, состоящая из зубчатой передачи и фрикционных роликов. Шестерня 3 сопряжена с

1726929 большими ступенями промежуточных ступенчатых шестерен роликов 4, при этом меньшие ступени промежуточных шестерен роликов 4 находятся в контакте с колесами-роликами 5. Колеса-ролики 5 насажены на один конец осей 6, имеющих осевые ограничители, а на.другом конце осей 6 размещены шестерни — ролики 7, сопряженные с колесом-роликом 8, размещенным на валу 9 с установленным на нем колесом центробежного насоса, -На роторе

1 выполнен гребень 10, а ротор 1 опирается на подшипники 11, Вал 9 опирается на

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к турбодетандерным установкам.

Известны конструкции турбодетандеров (ТД) с автономными нагрузочными устройствами и конструкции монороторных турбодетандеров.

Известна конструкция монороторного турбодетандера, содержащая корпус, в котором на подшипниках установлен ротор, на одной консоли которого размещено рабочее колесо турбодетандера, а в качестве

- нагрузочного устройства используется насос, рабочее колесо которого расположено на свободной консоли ротора.

Основным недостатком данной конструкции является то, что такие монороторные турбодетандеры отличаются высокой частотой вращения насосного колеса и возникает опасность кавитационного разрушения насоса и опасность нестабильности регулировочных характеристик, Так, из чертежа прототипа следует, что Он/От=1, где D< — диаметр рабочего колеса насоса;

DT — диаметр рабочего колеса детандера.

Для реальной конструкции ТД, взятой из таблицы параметров унифицированного ряда монороторных ТД, D>= 75 мм, частота вращения пт=nH=130000 об/мин, где пт и пн — частота вращения колес ТД и насоса соответственно. Окружная скорость на колесе насоса

0н 60 0н = 510 м/с. (н и н

Цель изобретения состоит в повышении устойчивости в работе и улучшении регулировочных характеристик турбодетандера путем снижения частоты вращения насосного колеса.

Турбодетандер содержит трехступенчатую фрикционно-зубчатую планетарную передачу, размещенную в корпусе между подшипники. Корпус состоит из наружной обоймы и вставленных в нее корпусных элементов. Централ ьн ы и элемент содержит подшипники осей 6, один из подшипников 11 ротора 1 и упорный подшипник.

Левый элемент содержит второй подшипник 11, а также сухари осевых ограничителей осей 6. Правый элемент также содержит сухари, а кроме того, на нем размещен корпус насоса. Корпусные элементы крепятся в обойме фланцем, В каждом корпусном элементе выполнены полости и каналы для смазки. 4 ил. ротором турбодетандера и центробежным насосом и состоящую из корпусных элементов, вставленных в наружную обойму корпуса, причем в центральном корпусном

5 элементе размещены на подшипниках оси колес-роликов, имеющие осевые ограничители, и установленные на одном конце осей шестерни-ролики, состоящие из зубчатой шестерни и двух дисков каждая, сопряжен10 ных с зубчатым колесом-роликом, размещенным на оном валу с колесом насоса, и колес-роликов, установленных на других концах осей и сопряженных с меньшей ступенью промежуточных ступенчатых шесте15 рен-роликов, при этом большие ступени промежуточных шестерен-роликов сопряжены с шестерней, установленной на роторе турбодета ндера.

В предлагаемой конструкции использу20 ется трехступенчатая фрикционно-зубчатая планетарная передача, позволяющая значительно снизить частоту вращения колеса насоса. Так, если рассмотреть предлагаемую конструкцию турбодетандера с теми же па25 раметрами, что и в прототипе (D>=75 мм, пт=130000 об/мин) с учетом передаточного отношения 1=.25 (исходя из соотношений размеров колес и шестерен на фиг.1 — 4), частота вращения. рабочего колеса насоса со30 ставит n z=nz/i=5200 об/мин. Для соотношений представленных на фиг.1

Он/DT=3; DH=225 мм. Окружная скорость колеса насоса в предлагаемой конструкции л0н пн

35 UH2 60 Он2 = 61 м/с. Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет значительно снизить окружные скорости на колеса насоса (в данном случае 8,4 раза) без уменьшения диаметра рабочего колеса на40 соса и даже позволяет увеличить диаметр

Он

1726929

Элементы трехступенчатой передачи (шестерни-ролики, колеса-ролики, промежуточные ступенчатые шестерни-ролики) размещены в корпусных элементах(три секции), вставленные в наружную обойму кор- 5 пуса. При этом в центральном корпусном элементе размещены на подшипниках оси колес-роликов, а в боковых элементах размещены сухарики осевых ограничителей.

Кроме того, в центральном корпусном эле- 10 менте (секции) размещен и упорный подшипник вала турбодетандера, а все секции имеют каналы для подвода (отвода) смазки.

Таким образом, признаки, включенные в формулу изобретения, влияют на сниже- 15 ние частоты вращения насосного колеса.

Относительно влияния скорости вращения на устойчивость работы ТД.

На фиг.1 показаны совмещенные характеристики ТД и нагрузочного устройства в 20 конструкции-прототипе (где Й вЂ” мощность

ТД и НУ; n — частота вращения ТД и НУ; А— точка равновесия при настройке). На фиг,2 показаны совмещенные характеристики ТД и нагрузочного устройства (НУ) в виде мало- 25 или среднеоборотного насоса (предлагаемое решение). Пунктиром обозначены регулировочные характеристики при различных степенях открытия дросселя насоса. Как видно из сравнения характеристик, систе- 30 ма, представленная на фиг.1, неустойчивая, так как механические характеристики ТД и насоса пологие и близки друг к другу. Система на фиг.2 устойчивая, так как характеристики идутдостаточно круто и пересекаются 35 под значительно большим углом чем на фигЛ.

Под устойчивостью работы системы нагружения понимается ее способность самопроизвольно поддерживать заданный. 40 скоростной или нагрузочный режим и быстро восстанавливать их в случае кратковременных нарушений равновесия между вращающим и тормозным моментами. Таком образом, предлагаемая система позво- 45 ляет обеспечить устойчивость и точность поддержания режима нагружения, что имеет принципиальное значение для оценки

КПД турбодетандера, а следовательно, и его эффективности. 50

Улучшение регулировочных характеристик обусловливается использованием тихоходного или среднеоборотного насоса со значительным расходом жидкости при умеренных скоростях, Регулировка осуществ- 55 ляется на его напорной магистрали. Как видно из сопоставления фиг 1 и 2, в предлагаемом решении можно с достаточной надежностью и точностью установить характеристики насоса как НУ, B прототипе возможно самопроизвольное изменение характеристики под воздействием внешних факторов (пульсации давления жидкости и т.д.). Использование в предлагаемой конструкции трехступенчатой передачи обеспечивает возможность применения солнечной шестерни, т.е. шестерни, установленной на роторе ТД малого диаметра.

В предлагаемой конструкции можно обеспечить требуемое усилие прижатия роликов без перегрузки солнечной шестерни за счет создания расклинивающего действия усилий, направленных на промежуточные шестерни-ролики. Кроме того, использование ступенчатых шестерен-роликов позволяет обеспечить несколько симметричных зон контакта, которые обеспечивают уравновешивание шестерен-роликов в процессе их вращения и сохранения параллельности их осей, Это позволяет увеличить КПД и долговечность передачи, а соответственно

КПД и долговечность турбодетандера. В предлагаемой конструкции промежуточные ступенчатые шестерни-ролики являются самоустанавливающимися. Опоры необходимы только для осей четырех колесроликов, контактирующих с центральным колесом, Частота вращения этих осей невысокая и они установлены в подшипниках скольжения, размещенных в центральном корпусном элементе.

Использование корпусных элементов, пристыковываемых один к другому позволяет изготавливать турбодетандер из отдельных унифицированных деталей и значительно упрощать доводку ТД при монтаже. Облегчаются и ремонтные работы.

На фиг.1 изображен турбодетандер, общий вид; на фиг.2- сечение А-А на фиг.1; на фиг,3 — сечение Б — Б на фиг. I; на фиг,4— сечение  — В на фиг.2.

В предлагаемой конструкции ротор 1 турбодетандера с рабочим колесом 2 расположен на опорных гидродинамических подшипниках, На роторе 1 выполнена шестерня 3, состоящая из зубчатой шестерни и фрикционных роликов. Шестерня 3 сопряжена с большими ступенями промежуточных ступенчатых шестерен-роликов 4, при этом меньшие ступени промежуточных шестерен-роликов 4 находятся в контакте с колесами-роликами 5. Колеса-ролики 5 насажены на один конец осей 6, имеющих осевые ограничители, а на другом конце осей 6 размещены шестерни-ролики 7, сопряженные с колесом-роликом 8, размещенным на .валу 9 с установленным на нем колесом центробежного насоса. На роторе 1 турбодетандера выполнен упорный гребень 10, а ротор 1 опирается на гидродинамические

1726929

55 подшипники 11. Вал 9 центробежного насоса опирается на подшипники качения. Корпус турбодетандера состоит из наружной обоймы и вставленных в нее корпусных элементов. Центральный корпусной элемент содержит гидродинамические подшипники осей 6, один из гидродинамических опорных подшипников 11 ротора 1 и упорный подшипник, обращенный к поверхности упорного гребня 10. Левый (фиг.1) корпусный элемент содержит второй опорный гидродинамический подшипник 11, а также сухари осевых ограничителей осей 6. Правый (фиг,1) корпусной элемент также содержит сухари осевых ограничителей. Кроме того, на нем размещен корпус центробежного насоса. Корпусные элементы фиксируются в наружной обойме посредством фланца. В каждом корпусном элементе имеются полости и каналы для подвода (отвода ) смазки к узлам трения.

Устройство работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса 2, расположенного на роторе 1, при помощи фрикционно-зубчатого зацепления движение передается от ротора 1 через шестерню

3 большим ступеням промежуточных ступенчатых шестерен-роликов 4 и далее при помощи меньших ступеней движение передается колесам-роликам 5, насаженным на один конец осей 6, а на другом конце которых размещены шестерни-ролики 7. Через зубчато-фрикционный контакт шестеренроликов 7 и колес-роликов 8 приводится во вращение вал 9 с установленным на нем колесом центробежного насоса, Радиальные нагрузки от ротора 1 воспринимают гидродинамические подшипники

11, а осевую нагрузку — упорный подшипник, обращенный к упорному гребню 10 и размещенный также как и один из подшипников 11 в центральном корпусном элементе. Радиальные нагрузки от осей 6 воспринимаются гидродинамическими подшипниками, также размещенными в элементе. От осевого перемещения оси 6 удерживают ограничители, сухари которых

45 размещены в левом и правом корпусных элементах. Нагрузки от вала 9 центробежного насоса воспринимают подшипники 12 качения, установленные в корпусе. Корпусные элементы удерживаются в наружной корпусной обойме при помощи фланца. Смазка к узлам трения подводится через полости и каналы.

Для показанных на фиг.1-4 соотношений передаточное отношение между частотой вращения колеса ТД и насоса составляет 25,5.

Частота вращения насосного колеса снижена в 8,4 раз, что позволяет повысить устойчивость в работе и улучшить регулировочные характеристики турбодетандера.

Формула изооретения

Турбодетандер, содержащий корпус с наружной обоймой и установленным в нем ротором с рабочим колесом, нагрузочное устройство, выполненное в виде центробежного насоса, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости работы и улучшения регулировочных характеристик за счет снижения частоты вращения насосного колеса, турбодетандер дополнительноо содержит трехступенчатую фрикционно-зубчатую планетарную передачу, размещенную в корпусе между ротором турбодетандера и центробежным насосом и выполненную в виде корпусных элементов, вставленных в наружную обойму корпуса, причем в центральном корпусном элементе дополнительно размещены на подшипниках оси с колесами-роликами, имеющие осевые ограничители и установленные на одном конце осей шестерни-ролики, состоящие из зубчатой шестерни и двух дисков каждая, сопряженных с зубчатым колесом-роликом, размещенным на одном валу с колесом насоса, и колес-роликов, установленных на других концах осей и сопряженных с меньшей ступенью дополнительно установленных промежуточных ступенчатых шестерен-роликов, при этом большие ступени промежуточных ступенчатых шестерен-роликов сопряжены с шестерней, установленной на роторе турбодетандера.

1726929

A-A

Зи2.2

Б-Е

1726929

Составитель Г.Петров

Техред М,Моргентал

Корректор M ..Демчик

Редактор С,Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1269 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5