Турбодетандер

Изобретение относится к расширительным машинам, а именно к турбодетандерам, которые могут широко применяться в криогенных системах и, особенно, в составе гелиевых и водородных установок. В корпусе турбодетандера выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно. Турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными. Форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнено в виде высокоскоростного электрогенератора. На валу детандера диаметрально противоположно установлены постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника. Турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией. В криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера. Выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение надежности работы турбодетандера. 1 ил.

 

Изобретение относится к расширительным машинам, а именно к турбодетандерам, которые могут широко применяться в криогенных системах и, особенно, в составе гелиевых и водородных установок.

Широко известна традиционная конструкция воздушных турбодетандеров, содержащая консольное колесо с радиальным выходом, масляные опоры скольжения с принудительной смазкой и торможением электрогенератором через понижающий редуктор (см. Техника низких температур. Издательство «Энергия» 1964 г., стр. 382, рис 7-83). Основной недостаток приведенного аналога заключается в том, что надежные конструкции турбодетандеров можно создать только на низкое и среднее давление при больших расходах перерабатываемого газа.

Известна конструкция гелиевого турбодетандера, состоящего из корпуса и двух радиально-упорными газостатическими подшипниками, жесткого вала с размещенными на противоположных концах турбинного колеса и колеса тормозного компрессора (см. Техника низких температур. Издательство «Энергия» 1964 г., стр. 385, рис 7-87).

К основным недостаткам указанной конструкции турбодетандера можно отнести:

- конструктивную сложность и низкую надежность обусловленные трудностями, связанными с созданием виброустойчивых радиальных опор скольжения при высоких рабочих частотах вращения вала и упорных подшипников для разгрузки осевых усилий;

- необходимость разработки специальных систем контроля и регулирования за работой подшипниковых узлов, чтобы уменьшить величину суммарного осевого усилия;

- дополнительный отбор рабочего газа, составляющий до 10% от производительности компрессора, для работы газостатических подшипников скольжения и радиально-упорных подшипников.

Наиболее близкой по технической сущности является турбодетандер, содержащий корпус с двумя радиально-упорными и скольжения подшипниками, вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства тыльными сторонами друг к другу, при этом колеса соединены последовательно и выполнены разного диаметра, торцевые крышки турбинных колес, выполненные с разными направляющими аппаратами и форкамерами для сжатого рабочего газа, коллектор подачи газа на первое турбинное колесо, промежуточный коллектор между ступенями, коллектор выхода расширенного газа из второго рабочего колеса (см. патент SU 985641).

В данной конструкции осуществляется полная разгрузка вала от осевых усилий только в расчетном режиме работы турбодетандера, и поэтому для обеспечения безопасности в конструкции сохранены и упорные подшипники, работающие в пусковых и переходных режимах работы. Другой существенный недостаток турбодетандера заключается в том, что в качестве тормозного устройства необходимо использовать либо электрогенератор, либо масляный тормозной контур, что усложняет конструкцию криогенных турбодетандеров и приводит к снижению адиабатного КПД.

Цель изобретения - упрощение конструкции и повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в турбодетандере, содержащем корпус с двумя радиально-упорными и скольжения подшипниками, вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства тыльными сторонами друг к другу, при этом колеса пневматически соединены последовательно и выполнены разного диаметра, торцевые крышки турбинных колес, выполненные с разными направляющими аппаратами и форкамерами для сжатого рабочего газа, коллектор подачи газа на первое турбинное колесо, промежуточный коллектор между ступенями, коллектор выхода расширенного газа из второго рабочего колеса, в корпусе выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно, при этом турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными, причем форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнены в виде высокоскоростного электрогенератора, при этом на валу детандера установлены диаметрально противоположно постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника, а кроме того турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией, при этом в криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера, а также выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору.

На чертеже показан разрез предлагаемого турбодетандера, состоящего из корпуса 1, вала 2 с двумя идентичными турбинными колесами 3, установленными по обе стороны тормозного устройства, выполненного в виде высокоскоростного электрогенератора, при этом на валу 2 установлены диаметрально противоположно постоянные магниты 4, а в корпусе 1 - обмотка 5, изготовленная из сверхпроводника, при этом в качестве постоянных магнитов могут, например, использоваться магниты, изготовленные из редкоземельных металлов, которые обладают в широком диапазоне температур высокой остаточной намагниченностью, удельной магнитной энергией, коэрцитивной силой, а обмотка в зависимости от условий эксплуатации турбодетандера может быть изготовлена либо из классического сверхпроводника на основе ниобия, либо из проводника, обладающего высокотемпературной сверхпроводимостью, т.е. более высокой критической температурой перехода.

В корпусе 1 детандера размещены также два газодинамических подшипника 6 скольжения и с обеих сторон турбинных колес 3 на корпусе 1 закреплены торцевые крышки 7 с идентичными направляющими аппаратами 8 и форкамерами 9, соединенные общим коллектором 10 подачи сжатого газа. Детандер с помощью опор 11 смонтирован в двухстенном криостате 12 с высоковакуумной изоляцией, а кроме того в нем размещен эжектор 13 для охлаждения обмотки 5 до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера, а также выполнены трубопровод 14 отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата 12 в криогенную установку (на чертеже не показана) и трубопровод 15 подачи сжатого газа из криогенной установки с начальной температурой ниже рабочей температуры сверхпроводника, из которого выполнена обмотка 5.

На трубопроводе 15 установлены два параллельных клапана, из которых один клапан 16 подключен к общему коллектору 10 подачи сжатого газа в форкамеры 9, а другой клапан 17 - к эжектору 13 для охлаждения обмотки в предпусковой период, контроль температуры которой осуществляется с помощью датчика 18, встроенного в конструкцию обмотки.

Работа турбодетандера происходит в два этапа. На первом этапе перед пуском детандера производят захолаживание обмотки 5 до ее рабочей температуры, т.е. температуры, обеспечивающей ее переход в состояние сверхпроводимости. Для этой цели из трубопровода 15 через клапан 17 подают сжатый газ из криогенной установки (на чертеже не показана) с температурой ниже критической температуры обмотки 5 на эжектор 13, который увеличивает кратность расхода рабочего криоагента во внутреннем объеме криостата 12, что существенно повышает коэффициент теплоотдачи и приводит к сокращению предпускового периода, при этом теплый газ с расходом, равным расходу, поступившему на эжектор 13, отводится из внутреннего объема криостата 12 по трубопроводу 14 в криогенную установку. В процессе захолаживания постоянно по датчику 18 контролируется температура обмотки 5 и при достижении ее значения, гарантирующего ее переход в состояние сверхпроводимости, процесс захолаживания заканчивают, закрывают клапан 17, прекращают подачу сжатого газа на эжектор 13 и приступают ко второму этапу - пуску турбодетандера.

Сжатый рабочий газ из трубопровода 15 через клапан 16 по коллектору 10 поступает в предкамеры 9 торцевых крышек 7. Далее рабочий газ предварительно расширяется в сопловых аппаратах 8 и попадает на лопатки рабочих колес 3. Двигаясь к центру рабочих колес 3, газ продолжает расширяться, понижая температуру и давление, после чего он поступает во внутренний объем криостата 12, обтекает обмотку 5, обеспечивая ее температурный режим ниже рабочего значения, и через трубопровод 14 отводится в криогенную установку. Крутящий момент, возникающий из-за перепада давления на рабочих колесах 3, передается на вал 2, полностью разгруженный от осевых усилий, приводит его к вращению в двух газодинамических подшипниках 6, установленных в корпусе 1 и обеспечивающих бесконтактное вращение вала 2 за счет газовой смазки между валом 2 и подшипниками 6. В результате вращения вала 2, механическая энергия, получаемая от колес 3 при расширении газа, превращается в электрическую, за счет вращающего магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 4, установленными на валу 2 детандера. Вращающее магнитное поле формирует в обмотке 5 напряжение и переменный ток, который по кабелю (на чертеже не указан) выводится на внешний источник потребления электроэнергии, вырабатываемой высокоскоростным генератором турбодетандера.

Таким образом, как видно из описания конструкции и работы турбодетандера, поставленная цель изобретения достигается:

- за счет полной осевой разгрузки вала независимо от режима работы турбодетандера;

- установки постоянных магнитов на валу и обмотки из сверхпроводника, охлаждаемой за счет холода рабочего газа;

- компоновки турбодетандера в двустенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией и эжектора, обеспечивающего эффективное предпусковое охлаждение обмотки.

Кроме того, предлагаемая конструкция турбодетандера позволяет исключить лабиринтное уплотнение и использовать газодинамические опоры скольжения, что еще больше упрощает конструктивную схему детандера и повышает эффективность его работы.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Турбодетандер, содержащий корпус с двумя радиально-упорными и скольжения подшипниками, вал с турбинными колесами, расположенными по обе стороны тормозного устройства тыльными сторонами друг к другу, при этом колеса пневматически соединены последовательно и выполнены разного диаметра, торцевые крышки турбинных колес, выполненные с разными направляющими аппаратами и форкамерами для сжатого рабочего газа, коллектор подачи газа на первое турбинное колесо, промежуточный коллектор между ступенями, коллектор выхода расширенного газа из второго рабочего колеса, отличающийся тем, что в корпусе выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно, при этом турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными; причем форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнено в виде высокоскоростного электрогенератора, при этом на валу детандера установлены диаметрально противоположно постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника, а кроме того турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией, при этом в криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера, а также выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области транспортировки природного газа и предназначено для снижения температуры транспортируемого газа после сжатия в нагнетателе газоперекачивающего агрегата перед подачей его в магистральный газопровод.

Изобретение относится к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе. Газораспределительная станция содержит блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, эжектор, вихревую трубу, теплообменник.

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах кондиционирования воздуха, холодильниках и т.д. Воздушная турбохолодильная установка содержит компрессор, расположенный на одном валу с турбодетандером, электродвигатель, двухполостной теплообменник, рекуператор, влагоотделитель, холодильную камеру с охладителем и вентилятором.

Способ работы газотурбодетандерной энергетической установки тепловой электрической станции заключается в том, что атмосферный воздух сжимают в компрессоре, подают в камеру сгорания, сжигают топливо, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, полезную работу газовой турбины используют для выработки электроэнергии, полезную работу турбодетандера используют для привода компрессора.

Изобретение относится к газовой технике, в частности к газораспределительным станциям для снижения давления газа в газопроводе. Газораспределительная станция содержит блок управления, технологический блок с газопроводом высокого и низкого давления, емкость сбора конденсата, эжектор, вихревую трубу, теплообменник, блок управления снабжен датчиком температуры наружного воздуха и регулятором расхода горячего потока вихревой трубы, наружная поверхность емкости сбора конденсата покрыта теплоизолирующим и теплоаккумулирующим материалом, при этом конденсатоотводчик включает корпус с крышкой и коническое днище, соединенное с емкостью сбора конденсата, и снабжен отражательной перегородкой, которая выполнена с покрытием, полученным ионно-плазменным методом, стеклоподобной нанообразной пленкой из оксида тантала со стороны патрубка ввода холодного потока из вихревой трубы, кроме того, отражательная перегородка соединена с крышкой и расположена между патрубками ввода и вывода холодного потока.

Поршневой бесклапанный детандер содержит цилиндр, в открытой части которого расположены окна для восполнения утечек газа из полости сжатия и сообщены с охлаждаемым объемом газа.

Изобретение может использоваться для утилизации избыточной энергии газа. Газотурбогенератор содержит турбину, асинхронный генератор, датчик частоты вращения турбины, проходные изоляторы, трехфазное устройство подогрева газа, датчик температуры, блок управления, контактор.

Изобретение относится к технологии раздельного извлечения компонент газовых смесей, в частности очистки гексафторида урана от легколетучих примесей. Способ охлаждения газовой смеси включает предварительную очистку сжатого атмосферного воздуха, предварительное захолаживание сжатого атмосферного воздуха, охлаждение сжатого атмосферного воздуха в турбодетандере до заданной температуры, отвод работы, затраченной на расширение, регулирование холодопроизводительности.

Использование: энергетические газотурбодетандерные установки с использованием избыточного давления топливного газа могут быть применены для электроснабжения компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов.

Изобретение относится к газоредуцирующему оборудованию. Пневматический детандер-генераторный агрегат включает приводной пневмодвигатель.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД и снижения металлоемкости котла котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановки (CO2-ЭУ), использующей диоксид углерода (CO2) в качестве рабочего тела.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД и снижения металлоемкости котла котлотурбинной диоксид-углеродной энергоустановки (CO2-ЭУ), использующей диоксид углерода (CO2) в качестве рабочего тела.

Система для стравливания давления и отвода энергии из трубопроводов природного газа или для применения в криогенной промышленности содержит электролизер, генерирующий водород, тепловой насос, нагревательное устройство, выполненное с возможностью нагревания природного газа в трубопроводе.

Изобретение относится к тепловому двигателю для выполнения органического цикла (ORC) Ренкина, который содержит испаритель, двигатель, конденсатор и контур, содержащий текучую рабочую среду, при этом рабочая среда имеет критическое давление (pc) в диапазоне от 4000 кПа до 6500 кПа, предпочтительно от 4200 кПа до 6300 кПа, рабочая среда имеет критическую температуру (Tc) в диапазоне от 450 К до 650 К, предпочтительно от 460 К до 600 К, рабочая среда имеет молярную массу в диапазоне от 50 г/моль до 80 г/моль, предпочтительно от 60 г/моль до 75 г/моль, и газообразная рабочая среда частично конденсируется во время адиабатического расширения.

Система с замкнутым циклом для утилизации отработанного тепла содержит теплообменник, детандер, рекуператор, конденсаторный узел и насос. Теплообменник выполнен с возможностью передачи тепла от внешнего источника тепла к рабочей текучей среде.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, использующим разницу температур и преобразующим тепловую энергию в механическую или электрическую.

Изобретение относится к области энергетики. Способ работы газотурбинной установки, включающей дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом.

Изобретение относится к энергетике. Рекуперационная установка для источника отходящего тепла состоит из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором и имеющей систему магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством и электропитанием через промежуточное звено постоянного тока, входящее в состав преобразователя частоты генератора.

Изобретение относится к энергетике. Теплоутилизационная система содержит клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве.

Изобретение относится к способу эксплуатации парового цикла, осуществляемому в предложенном устройстве, содержащем испаритель или парогенератор для испарения жидкого рабочего тела (А) и смазываемый смазочным средством детандер для совершения механической работы.

Изобретение относится к объектам энергетического машиностроения. Изобретение направлено на повышение КПД турбокомпрессорных энергетических установок путем уменьшения затрат энергии турбины на привод компрессора.

Изобретение относится к расширительным машинам, а именно к турбодетандерам, которые могут широко применяться в криогенных системах и, особенно, в составе гелиевых и водородных установок. В корпусе турбодетандера выполнены два газодинамических подшипника скольжения, а турбинные колеса пневматически соединены параллельно. Турбинные колеса, направляющие аппарата и форкамеры выполнены идентичными. Форкамеры торцевых крышек соединены общим коллектором подачи сжатого газа, а тормозное устройство выполнено в виде высокоскоростного электрогенератора. На валу детандера диаметрально противоположно установлены постоянные магниты, а в корпусе - обмотка, изготовленная из сверхпроводника. Турбодетандер смонтирован в двухстенном криостате с экранно-вакуумной изоляцией. В криостате установлен эжектор для захолаживания обмотки до ее рабочей температуры перед пуском турбодетандера. Выполнены трубопровод отвода расширенного газа из внутреннего объема криостата и трубопровод подачи сжатого газа с двумя клапанами, один из которых подключен к коллектору подачи сжатого газа в форкамеры, а другой - к эжектору. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение надежности работы турбодетандера. 1 ил.

Наверх