Винтовая расширительная машина
SCREW EXPANSION MACHINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретно к устройству винтовых расширительных машин, применяющихся для привода преимущественно асинхронных генераторов.
Из уровня техники известна паровая винтовая машина (патент РФ №89614, МПК F01C 1/16, F04C 18/16, опубликовано 10.12.2009 г.), содержащая корпус с впускным и выпускным патрубками, ведущий и ведомый винтовые роторы, установленные в подшипниковых опорах и связанные посредством синхронизирующих шестерен, а также расположенное в корпусе устройство для компенсации осевых усилий в подшипниковых опорах, включающее цилиндр с разгрузочным поршнем, закрепленным на конце ведущего ротора, при этом впускной патрубок сообщен с источником пара высокого давления, а в цилиндре устройства для компенсации осевых усилий образована паровая полость, сообщенная трубопроводом с источником пара высокого давления, отличающаяся тем, что на трубопроводе подвода пара высокого давления к паровой полости цилиндра устройства для компенсации осевых усилий установлен регулирующий клапан.
Недостатком данного технического решения является то, что уплотнения валов, наличие которых является обязательным условием работоспособности машины, со стороны входного патрубка находятся под воздействием высокого давления свежего пара, что обуславливает их быстрый износ.
Известна винтовая расширительная машина (патент РФ №2319840, F01C 1/16, опубликовано 20.03.2008 г.), содержащая корпус высокого давления (КВД) с впускным патрубком для подачи газа высокого давления, корпус низкого давления (КНД) с выпускным патрубком для отвода газа низкого давления, ведущий и ведомый винтовые роторы, параллельно установленные на попарно размещенных в КВД и КНД подшипниках, связанные между собой при помощи синхронизирующих шестерен, находящиеся в зацеплении и снабженные разгрузочными дисками, размещенными в расточках КВД с образованием разгрузочных полостей, сообщенных с выпускным патрубком, причем КВД и КНД соединены между собой при помощи центрирующего днища, расположенного по торцу высокого давления роторов.
Однако при работе известной машины, в случае ее использования в качестве привода асинхронного генератора, подключенного параллельно сети переменного тока, возникают условия для ее резкого перехода в компрессорный режим при аварийной остановке, что сопровождается реверсом момента на ведущем валу и появлением значительных механических перегрузок муфты, соединяющей ведущий вал известной машины и вал асинхронного генератора, а также связанным с этим переходом асинхронного генератора в двигательный режим и началом потребления электрической мощности от сети, соизмеримой по величине с вырабатываемой мощностью. При этом также перегружается синхронизирующая передача, резко меняются векторы сил, действующих на подшипники, на которых размещены ведущий и ведомый роторы, и могут возникнуть условия для взаимного соприкосновения роторов и их соприкосновения с неподвижными элементами конструкции машины. Это происходит из-за того, что аварийный останов известной машины производится по команде системы управления и осуществляется закрытием быстродействующего клапана-отсекателя, а отключение асинхронного генератора от сети происходит с необходимой заданной задержкой по времени.
При переходе известной машины в компрессорный режим газ перекачивается винтовыми роторами из впускного патрубка в выпускной патрубок. Поток перекачиваемого газа складывается из двух составляющих потоков. Первый из них это поток, который циркулирует по замкнутой сети "впускной патрубок - выпускной патрубок - разгрузочные полости - лабиринтные уплотнения разгрузочных дисков - впускной патрубок", второй - поток объемных потерь, который циркулирует по замкнутой сети "впускной патрубок - выпускной патрубок - зазоры между рабочими органами - впускной патрубок". При этом газ из выпускного патрубка в разгрузочные полости поступает потому, что последние сообщаются между собой. Мощность, затрачиваемая на перекачку газа, тем больше, чем выше перепад давлений в выпускном и впускном патрубках или, чем выше давление в выпускном патрубке.
Наиболее близким техническим решением является паровая винтовая машина (патент РФ №2464427, МПК F01C 1/16, опубликовано 20.10.2012 г.), содержащая корпус высокого давления (КВД) с впускным патрубком для подачи пара высокого давления, корпус низкого давления (КНД) с выпускным патрубком для отвода отработавшего пара низкого давления, ведущий и ведомый роторы, параллельно установленные на попарно размещенных в КВД и КНД опорных подшипниках, связанные между собой при помощи синхронизирующих шестерен, имеющие в своей средней части винтовые зубья, находящиеся в зацеплении, и снабженные парными торцовыми уплотнениями и размещенными в КВД разгрузочными поршнями, причем торцы поршней, обращенные к винтовым зубьям, сообщены с впускным патрубком, а противоположные торцы - с выпускным патрубком, причем в КВД и КНД между опорными подшипниками и торцовыми уплотнениями дополнительно установлены разделительные диафрагмы с образованием с роторами зазоров и с торцовыми уплотнениями полостей, сообщенных с атмосферой при помощи сливных патрубков. Данное техническое решение в части организации разгрузки роторов от осевых усилий является частным случаем вышеописанного аналога - патента РФ №2319840 и имеет такие же недостатки, в случае ее использования в качестве привода асинхронного генератора, подключенного параллельно сети переменного тока, при аварийной остановке, а установка дополнительных разделительных диафрагм с образованием с роторами зазоров и с торцовыми уплотнениями полостей, сообщенных с атмосферой при помощи сливных патрубков, не влияет на работу устройства в качестве винтовой расширительной машины.
Задачей изобретения является повышение надежности винтовой расширительной машины в периоды аварийного останова.
Техническим результатом изобретения является уменьшение механических перегрузок на ведущем валу винтовой расширительной машины, приводящей во вращение асинхронный генератор, подключенный параллельно сети переменного тока, снижение величины электрической мощности, потребляемой генератором, переходящим в двигательный режим, за счет установки обратного клапана в канале связи входного и выходного потока.
Технический результат изобретения достигается винтовой расширительной машиной, содержащей корпус высокого давления с впускным патрубком для подачи рабочего тела высокого давления, корпус низкого давления с выпускным патрубком для отвода рабочего тела низкого давления, ведущий и ведомый винтовые роторы, параллельно установленные в расточках корпуса низкого давления на попарно размещенных в корпусе высокого давления и корпусе низкого давления опорных подшипниках, кинематически связанные между собой посредством синхронизирующих шестерен, находящиеся в бесконтактном зацеплении и снабженные упорными подшипниками, размещенными в корпусе высокого давления, причем ведущий и ведомый винтовые роторы снабжены разгрузочными дисками, размещенными в расточках корпуса высокого давления с образованием полостей, сообщенных посредством каналов с выпускным патрубком, а на стыке корпусов высокого давления и корпуса низкого давления установлено днище с отверстиями для валов роторов и впускным окном. В отличие от прототипа полости впускного и выпускного патрубков соединены между собой трубопроводом, в котором установлен обратный клапан, с возможностью его открытия при давлении пара во впускном патрубке меньше давления в выпускном, при этом обратный клапан расположен или непосредственно между патрубками, или со стороны каналов сообщения разгрузочных полостей корпуса высокого давления с выпускным патрубком.
Согласно изобретению каналы сообщения разгрузочных полостей могут быть присоединены к трубопроводу с обратным клапаном на участке между обратным клапаном и полостью выпускного патрубка.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен разрез винтовой машины в вертикальной плоскости, проходящей через ось ведущего ротора с расположением трубопровода с обратным клапаном непосредственно между входным и выходным патрубками; на фиг. 2 с расположением трубопровода с обратным клапаном со стороны каналов сообщения разгрузочных полостей с выпускным патрубком; на фиг. 3 - разрез по горизонтальной плоскости, проходящей через оси обоих роторов.
Предлагаемая винтовая расширительная машина содержит корпус высокого давления КВД 1 с впускным патрубком 2 для подачи рабочего тела высокого давления, корпус низкого давления КНД 3 с выпускным патрубком 4 для отвода рабочего тела низкого давления, ведущий 5 и ведомый 6 винтовые роторы. Роторы 5 и 6 параллельно установлены в расточках КНД 2 на попарно размещенных в КВД 1 и КНД 3 опорных подшипниках 7, снабжены упорными подшипниками 8, размещенными в КВД 1, кинематически связаны между собой посредством синхронизирующих шестерен 9 и находятся в бесконтактном зацеплении. Роторы 5 и 6 снабжены также разгрузочными дисками 10, размещенными в расточках 11 КВД 1 с образованием разгрузочных полостей 12, сообщенных с выпускным патрубком 4 посредством каналов 13, и торцовыми уплотнениями 14. На стыке КВД 1 и КНД 3 расположено днище 15, в котором выполнены отверстия 16 для роторов 5, 6 и впускное окно 17. Полости выпускного патрубка 4 и впускного патрубка 2 соединены между собой трубопроводом 18, в котором установлен обратный клапан 19. Трубопровод 18 может быть расположен непосредственно между патрубками (фиг. 1) или со стороны каналов 13 сообщения разгрузочных полостей 12 с выпускным, патрубком 4 (фиг. 2).
Винтовая расширительная машина работает следующим образом.
Рабочее тело высокого давления через впускной патрубок 2 и впускное окно 17 поступает в полость, образуемую зубьями роторов 5, 6 и расточками КНД 3, расширяется, увеличивая указанную полость и вращая роторы 5, 6 и обеспечивая возникновение механической мощности на валу ведущего ротора 5. Радиальные и осевые усилия, возникающие на роторах 5 и 6, воспринимаются опорными 7 и упорными 8 подшипниками, при этом осевые усилия, обусловленные воздействием рабочего тела на винтовую часть роторов, частично компенсируются осевыми силами противоположного направления, действующими на разгрузочные диски 10. Бесконтактное вращение роторов 5 и 6 обеспечивается синхронизирующими шестернями 9. Вырабатываемая мощность посредством муфты с вала ведущего ротора передается на асинхронный электрический генератор.
При аварийной ситуации останов машины производится по команде системы управления и осуществляется закрытием быстродействующего клапана-отсекателя, а отключение асинхронного генератора от сети происходит с необходимой заданной задержкой по времени. Поэтому машина переходит в компрессорный режим. При этом давление рабочего тела во впускном патрубке 2 становится меньше давления в выпускном патрубке 4, открывается обратный клапан 19 и обеспечивается перекачка рабочего тела винтовыми роторами из впускного патрубка 2 в выпускной патрубок 4 при меньших перепадах давления, чем в винтовой расширительной машине, описанной в прототипе согласно патенту РФ №2319840.
Вследствие этого уменьшаются механические перегрузки на ведущем валу винтовой расширительной машины, приводящей во вращение асинхронный генератор, подключенный параллельно сети переменного тока, снижается электрическая мощность, потребляемая генератором, переходящим в двигательный режим.
Таким образом, предложенная конструкция винтовой расширительной машины позволяет повысить надежность ее работы в периоды аварийного останова.