Турбодетандер

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

{21) 491 7414/06 (22) 06.0391 (46} 30.1193 Бюп. Йа 43-44 (Т1) Всесоюзный научно-исследовательский институт гепиевой техники

{72) Равикович ЮА; Ермилов Ю.И.; Захарова Н.E„

Адлер Ю.P. (УЭ) Всесоюзный научно-исследовательский инсти(19) RÖ (11) (51) 5 F25811 00 F2589 00 тут гепиевой техники

{54) ТУРБОДЕТА НДЕР

{5У) Использование: B криогенной технике. Сущность изобретения: выпопнение пабиринтного уплотнения со стороны тормозного колеса, ограничивающего с пабиринтным уплотнением турбинного колеса камеру наддува, к которой подведена пиния наддува, способствует разгрузке осевых опор. 1 ип.

2003931

5 t0

30

Изобретение огносится к холодильной технике, в частности к расширительным турбамашинам, предназначенным для получения холода.

Известны микратурбодетандеры (1) с гаэодинамическими лепестковыми опорами, которые наряду со многими преимуществами имегот существенный недостаток— обладагат пониженной несущей способностью, что является серьезным препятствием при их использовании в высокоскоростных турбамашинах. Для снижения осевых нагрузок на осевые опоры в машинах такого типа используются рабочие колеса с малой степеньto реактивности, что приводит к снижению эффективности турбадетандера.

Известен также турбодетандер (2), принятый за прототип, содержащий корпус, лепестковые газадинамические 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 опар, выполненного в виде постоянного магнита, который должен обладать большой коэрцитивной силой. Регулирование разгружа>ащего 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 высокими степенями расширения газа.

Цель достигается тем, что в турбадетандере, содержащем корпус с размещенным внутри нега 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, s которой размещен вал с лепестковыми опорами и к которой через подведена линия наддува, На чертеже схематически показана конструкция турбодетандера.

Турбодетандер содержит корпус 1 с размещенным внутри нега ротором, выполненным в виде ступенчатого вала 2 с диаметрами dt и б2 с пятой 3 и консольна расположенными на нем колесом турбины

4 и тормозным копесом 5. Вап 2 опирается на лепестковые газодинамические радиальные 6 и осевые 7 опоры, Со стороны турбинного колеса 4 выполнено лабиринтнае уплотнение 8 диаметром

d>, изолирующее полость 9 проточной части турбины 4, а со стороны тормозного колеса

5 также выполнено лабиринтное уплотнение 10 диаметром dz, 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 d2 определяется из равенства

4Fs

dr — dt - — при условии кР

F1 + 2 + з 5 одоп где d> — диаметр вала под лабиринтным уплотнением турбинного колеса, м; бг — диаметр вала под лабиринтным уплотнением тормозного колеса, м;

Р— давление в камере наддува, Па;

F> — осевая сила, действующая са стороны турбины, Н;

Fz — осевая сила, действующая со стороны тормозного колеса, Н;

Fs — осевая сила, разгружающая осевую опору, Н;

Fqott — допустимая нагрузка на осевую опору, 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 препятствуют перетоку холодного газа из проточной части 9 колеса 4 турбины в камеру 12 наддува подшипникавых опор, а лабиринтные уплотнения 10 изолируют проточную часть 11 тормозного колеса 5 от камеры.1 наддува подшипниковых опор, создавая в опорах 30ну регулируемого давления — камеру 12 наддува, которая позволяет через линию 13 наддува поднять в ней давление до значений, близких, но не превышающих величиг давления на входе в колесо турбины. рьирование величиной давления P 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- 10 зультирующая сила избыточного давления газа, генерируемого в рабочих зазорах опоры, которую принято называть несущей способностью опоры, возрастает. Во-вторых, снижается или полностью устраняется осе- 15 вая нагрузка на подпятник благодаря появ-. лению силы Рз, зависящей or разницы в диаметрах лабиринтных уплотнений 10 и 8. Таким образом, несущая способность осеВоА опоры становится достаточной для вос- 20 приятия осевой нагрузки.

Необходимость регулирования возникает при работе турбодетандера на различ25 шения надежности и расширения области применения за счет разгрузки осевых опор, са стороны тормозного колеса также выполнено лабиринтное уплотнение, кото30 рое вместе с лабиринтным уплотнением турбинного колеса ограничивает камеру наддува, через которую проходит вал и к которой через корпус подведена линия наддува.. Формула изобретения

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 ожижительном или рефрижераторном режимах, а также в режиме эахолаживания криогенной чстановки, в которую он входит.

Повышение несущей способности опор и разгрузка обеспечивают их надежную работу с большим ресурсом, одновременно повышая ремонтопригодность и эффективность турбодетандеров.

Замена традиционных турбодетандеров с гаэостатическими опорами на турбодетандеры предлагаемой конструкции в криогенных установках позволит сократить время их захолаживания в 2 раза, а также увеличить их холодолроизводительн ость. (56) Патент США 1Ф 3434762, кл. F 16 С 7/04, опубл. 1963, Патент США N 4167295, кл. F 16 С

17/10, опубл, 1987,