Турбодетандер

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сеюэ Советских

Со 4иалистических

Республик (»)985641 (б1) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 15.04. 81 (21) 330 3820/23-06 с присоединением заявки М (23) Приоритет—

Опубликовано 30.12Л2.Бюллетень Мо 48

Р,1 М К з

F 25 В 11/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий ($3) УДК 621.57 (088. 8) Дата опубликования описания 30.12.82 (72) Авторы изобретения

A.Á. Давыдов, A.Ø. Кобулашвили, Е.П. Крылов

А ° П. Викулов,.В.Л. Стулов, A.À. Гофер, Н.P. Васильев и Ю.A. Павленко

Всесоюзный научно-исследовательский институт

"Гелиевая техника" (71 ) Заявитель (54) ТУРБОДЕТАНДЕР

Изобретение относится к энергетике, в частности к высокоперепадным трубодетандерам, предназначено для расширения воздуха высокого давления, а также гелия или водорода в составе криогенных- установок и может применяться в тех случаях, когда не удается обеспечить эффективную и надежную работу одноступенчатого турбодетандера.

Наиболее распространенными турборасширительными машинами для производства холода являются одноступенчатые центростремительные турбодетандеры (1 1.

Основным недостатком этих турбомашин является то, что достаточно надежные конструкции можно создать только на низкое и среднее давление при больших расходах перерабатываемого газа.

Создание турбодетандеров на высокое давление и относительно малые расходы связано с преодолением целого ряда трудностей.

Дело в том, что турбодетандеры высокого давления (Рвкойв = 18,0

:20,0 МПа) характеризуются высокой ра бочей частотой вращения ротора при,весьма больших значениях осевой силы, действующей на ротор (2 ).

При этом, для турбодетандера с малыми объемными расходами (U0 < 5 м /ч при P u T на входе) основные трудности связаны с созданием вибро устойчивых радиальных. опор скольжения, . имеющих черезвычайно высокие рабочие частоты вращения вала, а для турбодетандера с объемными расходами

V0 > 5 м /ч недостаточно надежным

3 оказывается узел опорных подшипников, нагруженных большой осевой силой при достаточно высоких скоростях вращения ротора ГЗ 1.

Таким образом, действие, обоих дестабилизирующих факторов на узел подвески турбодетандера высокого давления либо преобладание одного из них не позволяет создать, как показала практика, надежный турбодетандер высокого давления.

Переход от 1-ступенчатого к 2-ступенчатому расширению газа в турбодетандерах позволяет, с одной стороны, уменьшить рабочую частоту вращения ротора турбомашины.и, с другой стороны, что самое главное, при рациональной компоновке, значительно уменьшить суммарное осевое усилие.

985641

Формула изобретения действующее на ротор. Кроме того, при высоких степенях расширения 2-ступенчатое расширение газа термодинамически более эффективно, чем 1-ступенчатое.

Известны различные конструкции

2-ступенчатых турбодетандеров высокого давления с последовательным расширением газа в ступенях, конструкция 2-ступенчатого турбодетандера, в котором роторы первой и второй ступени расположены под прямым углом один к другому, а выходной патрубок

1-й ступени является входным для

2-й ступени (4 ).

Основным недостатком данной конструкции является нагруженность обоих роторов большими осевыми усилиями, что снижает надежность работы

2-ступенчатого турбодетандера. Эта машина практически не была реализована в металле.

Известен турбодетандер высокого давления, содержащий корпус и размещенные в нем вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства (53.

Недостатком известного турбодетандера является невозможность работы в широких диапазонах объемных расходов.

Цель изобретения — повышение надежности и расширение рабочего диапазона объемных расходов.

Поставленная цель достигается тем, что турбинные колеса соединены последовательно и выполнены с разными диаметрами, причем одно из колес имеет диаметр, составляющий 0,4

0,8 диаметра другого колеса.

На чертеже показан предлагаемый турбодетандер, разрез состоит из корпуса 1, в котором расположен вал 2 с консольным расположением рабочих колес 3 и 4. В центральной части вала 2 размещено тормозное устройство

5, которое служит для поглощения мощности, развиваемой турбиной. Вращение вала 2 стабилизируется двумя радиально-упорными подшипниками 6 и ,7 скольжения. Для подачи газа в первую ступень служит коллектор 8.

Турбинные ступени соединены между собой промежуточным коллектором 9.

Патрубок 10,служит для выхода расширенного газа из турбодетандера.

Турбодетандер работает следующим образом.

Газ поступает на рабочее колесо

3, расширяется до промежуточного давления Р1, а затем по коллектору

9 поступает на колесо 4 второй ступени турфодетандера, где расширяется с понижением температуры до конечного давления Р2.

В предлагаемой конструкции осуществляется полная разгрузка ротора от осевых сил, при этом геометричес. кие размеры рабочих колес первой и второй ступени связаны зависимостью

-ЬЗ

2 -2

А2

5 Q 1 с -ЬД2 р р (1) где П вЂ” наружный диаметр рабочего колеса;

-Р а — давление перед колесом аn= — — конструктивный параметр лабиринтного уплотнения;

1 и 2- индексы, относящиеся соответственно к первой и второй ступеням;

У = †- степень понижения давления — вх в колесе, P и отношение наружных диаметров рабо:I чих колес ступеней находится в пре делах от 0,8 до 0,4.

Зависимость (1) между геометрическими размерами колес является эмпирической. Входящие в нее коэффициенты с р. (,и= — Г, — степень радиальности ), 25 „ а — втулочное отношение

2 л определяются из опыта практической работы турбодетандеров высокого дав ления и анализа их конструкций.

Так, степень радиальности,о. большинства рабочих колес колеблется в пределах 0,4-0,6 исходя из оптимальных размеров проточной части турбодетандера.

3 5

Конструктивный параметр d =— ал связывает наружный диаметр колеса и

А- р лабиринтного уплотнения. Максимальный диаметр уплотнения ограничивается величиной утечки газа через лабиринтное уплотнение, а минималь4О ный — критической скоростью вращения ротора. В большинстве промышленных машин ЙА = 0,2 — 0,3.

Создание надежно работающего турбодетандера высокого давления с раэ45 груженным от осевых сил ротором осуществляется .установкой рабочих колес на концах одного вала тыльными сторонами друг к другу и подбором определенных геометрических соотноше5Q ний между рабочими колесами согласно зависимости.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значитеЛьно повысить надежность и эффективность тур55 бодетандеров высокого давления, а также расширить областЬ их применения, т. е. создавать надежные и эффективные турбодетандеры высокого давления вместо громоздких, сложных и недостаточно надежных поршневых детандеров.

Турбодетандер высокого давления, 65 содержащий корпус и размещенный в

985641

Составитель A. Коломейцева

Редактор M. Рачкулинец Техред М.Коштура Корректор О. Билак

Заказ 10150/62 Тираж 543

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 нем вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения рабочего диапазона объемных расходов, турбинные колеса соединены последовательно и выполнены с разными диаметрами, причем одно из колес имеет диаметр, составляющий 0,4 — 0,8 диаметра другого колеса. 10

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Епифанов В.И. Низкотемпературные радиальные турбодетандеры. М., "Машиностроение", 1974, с. 368.

2. Аппараты и машины кислородных и криогенных установок. Сб. статей, вып. 14. М., "Машиностроение", 1974, с. 15.

: 3. Химическое и нефтяное машиностроение. М., "Машиностроение", 1976, с. 1-2.

4. Глизманенко Д.Л. Кислород. M., "Металлургия", 1967, с. 380.

5. Авторское свидетельство СССР

9 369353, кл. F 25 В 11/00, 1971.