RU2716780C1 - Турбодетандер - Google Patents
Турбодетандер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2716780C1 RU2716780C1 RU2019124350A RU2019124350A RU2716780C1 RU 2716780 C1 RU2716780 C1 RU 2716780C1 RU 2019124350 A RU2019124350 A RU 2019124350A RU 2019124350 A RU2019124350 A RU 2019124350A RU 2716780 C1 RU2716780 C1 RU 2716780C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- turboexpander
- cryostat
- turbine
- winding
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
- F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
- F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
- F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B11/00—Compression machines, plants or systems, using turbines, e.g. gas turbines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
Abstract
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.
Description
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».
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (ru) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Турбодетандер |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (ru) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Турбодетандер |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2716780C1 true RU2716780C1 (ru) | 2020-03-16 |
Family
ID=69898806
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019124350A RU2716780C1 (ru) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | Турбодетандер |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2716780C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220774U1 (ru) * | 2023-07-05 | 2023-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НПО ГазЭнергоМаш" | Турбодетандерная установка |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0579718A (ja) * | 1991-09-20 | 1993-03-30 | Hitachi Ltd | ヘリウム液化冷凍装置 |
FR2736999A1 (fr) * | 1995-07-17 | 1997-01-24 | Centre Nat Rech Scient | Machine de detente cryogenique a spirale |
RU2075014C1 (ru) * | 1994-11-10 | 1997-03-10 | Научно-технический центр АВИС | Способ охлаждения замкнутого объекта и установка для охлаждения замкнутого объекта |
JP5079718B2 (ja) * | 2009-01-23 | 2012-11-21 | 株式会社日立製作所 | 外国語学習支援システム、及びプログラム |
RU2516053C2 (ru) * | 2011-08-17 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" | Турбогенератор без выходного вала |
RU2659696C1 (ru) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Александр Андреевич Панин | Воздушная турбохолодильная установка (варианты), турбодетандер и способ работы воздушной турбохолодильной установки (варианты) |
-
2019
- 2019-07-29 RU RU2019124350A patent/RU2716780C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0579718A (ja) * | 1991-09-20 | 1993-03-30 | Hitachi Ltd | ヘリウム液化冷凍装置 |
RU2075014C1 (ru) * | 1994-11-10 | 1997-03-10 | Научно-технический центр АВИС | Способ охлаждения замкнутого объекта и установка для охлаждения замкнутого объекта |
FR2736999A1 (fr) * | 1995-07-17 | 1997-01-24 | Centre Nat Rech Scient | Machine de detente cryogenique a spirale |
JP5079718B2 (ja) * | 2009-01-23 | 2012-11-21 | 株式会社日立製作所 | 外国語学習支援システム、及びプログラム |
RU2516053C2 (ru) * | 2011-08-17 | 2014-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Казань" | Турбогенератор без выходного вала |
RU2659696C1 (ru) * | 2017-06-06 | 2018-07-03 | Александр Андреевич Панин | Воздушная турбохолодильная установка (варианты), турбодетандер и способ работы воздушной турбохолодильной установки (варианты) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU220774U1 (ru) * | 2023-07-05 | 2023-10-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НПО ГазЭнергоМаш" | Турбодетандерная установка |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103557036B (zh) | 基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组 | |
US7948105B2 (en) | Turboalternator with hydrodynamic bearings | |
EP3056744B1 (en) | Expander-integrated compressor, freezer, and freezer operation method | |
KR102508257B1 (ko) | 냉각을 위한 장치 및 프로세스 | |
CN203962054U (zh) | 一种基于永磁及磁悬浮技术的一体化涡轮机组 | |
US7317268B2 (en) | System and method for cooling a super-conducting device | |
CN210530931U (zh) | 一种大功率一体化双涡轮异步发电机组 | |
Hirai et al. | Development of a turbine-compressor for 10 kW class neon turbo-Brayton refrigerator | |
RU2716780C1 (ru) | Турбодетандер | |
CN110986408A (zh) | 一种集成式氖气制冷机及制冷方法 | |
Hirai et al. | Neon turbo-Brayton cycle refrigerator for HTS power machines | |
US9534576B2 (en) | Cryogenic liquid turbine | |
Kolchanova et al. | Superconducting generators for wind turbines | |
Hirai et al. | Development of a Neon Cryogenic turbo‐expander with Magnetic Bearings | |
JP2015187525A (ja) | ブレイトンサイクル冷凍機、及びターボ圧縮機の発熱部の冷却方法 | |
EP4279710A1 (en) | Rotary machine and refrigeration device using same | |
Bonneton et al. | A high reliability gas-driven helium cryogenic centrifugal compressor | |
Ozaki et al. | Development of 10 kW turbo-Brayton refrigerator for HTS power applications | |
CN109296551B (zh) | 一种冷压缩机 | |
Gondrand et al. | Overview of Air Liquide refrigeration systems between 1.8 K and 200 K | |
CN113250763B (zh) | 一种电涡流制动透平膨胀机 | |
Hong-yu et al. | Construction of a 2 kW/4 K Helium Refrigerator for HT-7U | |
Sam et al. | A review on design, operation and applications of cold-compressors in large-scale helium liquefier/refrigerator systems | |
CN220203971U (zh) | 大气量增压的气体轴承透平膨胀机、空分设备 | |
Gistau et al. | The 300 W—1.75 K Tore Supra Refrigerator Cold Centrifugal Compressors Report |