РАСШИРИТЕЛЬНАЯ ТУРБИНА, РАБОТАЮЩАЯ НА ОСНОВЕ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ
EXPANDING TURBINE OPERATING ON BASIS OF CRYOGENIC LIQUID

Настоящее изобретение относится к расширительной турбине, работающей на основе криогенной жидкости.
Турбина, работающая на основе криогенной жидкости, является общеизвестной в данной области криогенной техники, в качестве, при определенных обстоятельствах, альтернативы или дополнительно к клапану Джоуля-Томсона.
Даже если турбина работает при криогенной температуре, машина типично имеет расположенные в осевом направлении составные части, которые работают при или выше температур окружающей среды, в частности подшипник или подшипники для поддерживания вращающегося вала, на котором смонтировано рабочее колесо турбины. В теории, бόльшая часть термодинамически эффективных расширительных турбин, работающих на основе криогенной жидкости, представляют собой такие, которые используют радиальный впуск текучей среды. На практике, однако, имеется тенденция для таких эффектов, как нежелательные потоки тепла или образование второй парообразной фазы в результате вскипания, или невозможность легкого достижения адекватного уплотнения на подшипнике между частями при криогенных температурах и частями при более высоких температурах, получения альтернативных форм расширительной турбины или клапана Джоуля-Томсона, подлежащих выбору вместо расширительной турбины, работающей на жидкости, с радиальным впуском.
В соответствии с настоящим изобретением, обеспечена расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, имеющая рабочее колесо турбины, смонтированное на вращающемся валу, по меньшей мере один радиальный впуск для криогенной жидкости, подлежащей расширению в расширительной турбине, по меньшей мере один подшипник для вращающегося вала и сухое газовое уплотняющее средство в месте вдоль вращающегося вала между рабочим колесом турбины и указанным подшипником, отличающаяся тем, что имеется термический барьерный элемент между рабочим колесом турбины и сухим газовым уплотняющим средством, газовая камера на стороне сухого газового уплотняющего средства термического барьерного элемента, и впуск для криогенного газа в указанную газовую камеру.
Сухое газовое уплотняющее средство типично имеет впуск для сухого некриогенного газа дополнительно к указанному впуску для криогенного газа.
Рабочее колесо турбины может быть приспособлено для обеспечения возможности вскипания криогенной жидкости во время ее расширения.
В турбине, работающей на основе вскипающей криогенной жидкости, в соответствии с изобретением, передняя грань рабочего колеса турбины типично является зубчатой. Предполагается, что такая конфигурация рабочего колеса турбины уменьшает жидкостное трение на рабочем колесе.
Газовая камера типично имеет первый выход для криогенного газа к рабочему колесу турбины.
Указанный первый выход типично проходит через первое лабиринтное уплотнение, таким образом, чтобы ограничить поток газа через него.
Газовая камера типично также имеет второй выход для криогенного газа, сообщающийся с сухим газовым уплотняющим средством посредством второго лабиринтного уплотнения.
Сухое газовое уплотняющее средство типично представляет собой сухое газовое уплотнение, например, одинарное сухое газовое уплотнение или сдвоенное сухое газовое уплотнение.
Типично, имеется первое вентиляционное отверстие из сухого газового уплотняющего средства, сообщающееся с горелкой. В качестве альтернативы, первое вентиляционное отверстие может сообщаться с внешней атмосферой или со средством восстановления газа. Кроме того, может иметься второе вентиляционное отверстие из сухого газового уплотняющего средства, сообщающееся с внешней атмосферой.
В одном предпочтительном варианте осуществления, подшипник представляет собой масляный подшипник, а сухое газовое уплотняющее средство предохранено от паров масла посредством дополнительного уплотняющего средства вала, содержащего множество разнесенных в осевом направлении графитовых колец. Пространство между указанными графитовыми кольцами типично сообщается с источником сухого некриогенного газа. В других вариантах осуществления, подшипник представляет собой газовый подшипник или магнитный подшипник.
Турбина, работающая на основе криогенной жидкости, в соответствии с изобретением может быть соединена с электрическим генератором или механическим тормозом. Механический тормоз может иметь любую подходящую форму, например, колеса компрессора или масляного тормоза.
Изобретение также обеспечивает способ работы указанной турбины, работающей на основе криогенной жидкости, в котором часть криогенной жидкости испаряется таким образом, чтобы образовать указанный криогенный газ.
Давление типично в диапазоне от 5 до 10 поддерживается в газовой камере.
Криогенная жидкость типично представляет собой природный газ, но, в качестве альтернативы, может представлять собой другую криогенную жидкость, например жидкий азот или жидкий воздух.
Температура в диапазоне от минус 100°С до минус 150°С типично поддерживается в газовой камере, если криогенная жидкость представляет собой природный газ. Температура может регулироваться таким образом, чтобы быть минимальной, или немного выше минимальной, при которой текучая среда в камере полностью является газообразной при рабочем давлении камеры.
Типично, по меньшей мере 90% указанного криогенного газа выходит из газовой камеры на рабочее колесо турбины.
Расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, в соответствии с изобретением теперь будет описываться в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид сбоку, частично в разрезе, расширительной турбины, работающей на основе вскипающей криогенной жидкости, в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 представляет собой более подробный вид конструкций уплотнений в турбине, показанной на Фиг. 1; и
Фиг. 3 представляет собой схематичный перспективный вид рабочего колеса турбины, показанной на Фиг. 1 и 2.
Чертежи выполнены не в масштабе.
Ссылаясь на Фиг. 1, показана расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, которая работает с частью жидкости, вскипающей в пар. Турбина имеет впускной фланец 2, который соединен с трубой (не показана), сообщающейся с источником (не показан) криогенной жидкости, подлежащей расширению. Турбина также имеет выпускной фланец 4, который соединен с выпускной трубой (не показана) таким образом, чтобы отводить из турбины расширенную криогенную текучую среду.
Расширительная турбина имеет рабочее колесо 6 турбины, смонтированное на одном конце вращающегося вала 8. На другом конце вала 8 смонтировано соединение 10, посредством которого турбина может, например, соединяться с, например, электрическим генератором (не показан). Расширяющаяся криогенная жидкость заставляет рабочее колесо турбины вращать вал с высокой скоростью вращения и может выполнять работу посредством, например, генерирования электричества. Расширительная турбина имеет последовательность радиальных впусков 12, заданных посредством впускных направляющих лопаток образом, известным в данной области техники, для ускорения потока криогенной жидкости, подлежащей расширению. При работе, поток жидкости из впусков 12 распространяется по передней вращающейся грани 14 рабочего колеса 6 турбины и проходит через каналы, заданные между гранью 14 и неподвижным бандажом 16, к неподвижному диффузору 18, сообщающемуся с выпускным фланцем 4. Впускные направляющие лопатки могут работать традиционным образом посредством пневматического исполнительного механизма (не показан) через рычажную систему (не показана).
При работе криогенная жидкость, протекающая через переднюю грань 14 рабочего колеса 6 турбины, побуждается вскипать. (Передняя грань представляет собой грань, которая располагается на стороне выпуска турбины). Жидкость вскипает, так как она быстро расширяется до давления, ниже давления пограничной кривой насыщенной жидкости. Турбина, работающая на основе вскипающей жидкости, предлагает преимущество, заключающееся в способности расширять жидкость до низкого давления и/или требовать меньшего предварительного охлаждения криогенной жидкости на впуске, чем расширители гидравлических турбин без вскипания. Извлекаемая работа из текучей среды для машины значительно увеличивается, когда вскипание возникает внутри турбины. Температура газа на выходе ниже, и большее восстановление энергии возможно осуществить. Например, генератор (не показан) может быть установлен, и энергия восстанавливается на зажимах генератора.
Типичное рабочее колесо 6 турбины показано на Фиг. 3. Рабочее колесо турбины типично имеет шестнадцать неподвижных лопастей традиционной формы. Грань 14 рабочего колеса 6 турбины имеет канавки 302 между каждой парой лопастей 300. Канавки 302 придают рабочему колесу 6 турбины зубчатый внешний вид. Образование зубцов может уменьшить риск резонанса и усталостного отказа рабочего колеса 6 турбины при использовании. Образование зубцов также улучшает механические свойства рабочего колеса 6 турбины, когда имеют место две фазы и также, на этапе проектирования, делает предсказуемым величину осевого усилия.
Снова ссылаясь на Фиг. 1, область, где располагаются масляные подшипники, показана на фиг. 1 посредством ссылки 23. Эта область размещается в промежуточном месте между рабочим колесом 6 турбины и соединением 10. Вал 8 обеспечен в области 23 с парой масляных подшипников (не показано). Один масляный подшипник представляет собой масляный подшипник с самоустанавливающимся сегментным вкладышем. Масляные подшипники с самоустанавливающимися сегментными вкладышами предлагают преимущество наличия долгого срока службы. Другой масляный подшипник представляет собой конический упорный масляный подшипник. Масляный подшипник с самоустанавливающимся сегментным вкладышем представляет собой радиальный подшипник, а конический упорный масляный подшипник представляет собой осевой подшипник. Масло (или другой смазочный материал) подается на подшипники через инжекторный проход 24 из резервуара (не показан) снаружи расширительной турбины. Инжекторный проход 24 для масла образован в опоре 26 подшипника, которая образует часть корпуса 28 для турбины.
Область, где располагаются газовые уплотнения, обозначена на Фиг. 1 посредством ссылки 21. Газовые уплотнения показаны на Фиг. 2. Ссылаясь на Фиг. 2, сдвоенное сухое газовое уплотнение 30 располагается вокруг вала 8 и изолирует рабочее колесо 6 турбины от масла или другого смазочного материала, наносящегося на подшипники. Соответственно, пары масла или альтернативный смазочный материал не имеют возможности проходить вдоль вала 8 от подшипников к передней грани 14 рабочего колеса 6 турбины. Таким образом, сдвоенное сухое газовое уплотнение отделяет криогенную часть машины (где криогенная жидкость расширяется и вскипает) от теплой части, где масло смазывает подшипники. (Не является необходимым использовать смазываемые маслом подшипники. Они могут, в качестве альтернативы, представлять собой газовые подшипники или магнитные подшипники).
Сухие газовые уплотнения представляют собой бесконтактные, работающие всухую, механические торцевые уплотнения, содержащие сопрягаемое вращающееся кольцо и первичное неподвижное кольцо. При работ, канавки во вращающемся кольце генерируют гидродинамическое усилие, побуждающее неподвижное кольцо (или втулку) отделяться от вращающегося кольца, тем самым создавая зазор между вращающимся и неподвижным кольцами. Этот зазор может заполняться подходящим газом, который является нереактивным, например азотом. Давление в уплотнении предотвращает перемещение паров масла на рабочее колесо турбины. Канавки во вращающемся кольце направляют газ внутрь к не имеющему канавки участку. На Фиг. 2 отдельные уплотнения 36 и 38, по существу, являются идентичными друг другу. Вращающиеся кольца (в которых канавки не показаны) обозначены ссылочными позициями 40 и 42, соответственно, при этом неподвижные кольца обозначены ссылками 32 и 34, соответственно. Уплотнительный газ поступает из двух разных источников. Во-первых, сухой газообразный азот подается около с температурой окружающей среды (например, 20°С) из источника (не показан) снаружи расширительной турбины вдоль внутреннего прохода 33 в поддерживающем узле 46 уплотнения. Этот газ обеспечивает уплотняющий газ для сухого газового уплотнения 38. Некоторый газ выпускается из уплотнения через посредство дополнительного прохода 48 в поддерживающем узле 46 уплотнения. В отличие от уплотнения 38, сухое газовое уплотнение 36 использует криогенный газ. Газ также выпускается из уплотнения 36 через еще один дополнительный внутренний проход 50 в поддерживающем узле 46 уплотнения. Проход 50 сообщается с внешней горелкой (не показана), которая обеспечивает возможность утилизации выпускаемого природного газа безопасным образом. Ближе по ходу относительно прохода 50 природный газ разбавляется некоторым количеством азотного уплотнительного газа из сухого газового уплотнения 38, который просачивается через лабиринтное уплотнение 52, расположенное между двумя уплотнениями 36 и 38.
Другие части сдвоенного сухого газового уплотнения 30 не описываются здесь, имея, по существу, традиционные конфигурацию и функцию.
Вал 8 расширительной турбины обеспечен дополнительным газовым уплотнением 54 в положении между сдвоенным сухим газовым уплотнением 30 и масляными подшипниками. Дополнительное газовое уплотнение 54 предназначено для поддержания минимальной утечки паров масла на части турбины, работающие при криогенных температурах, в случае отказа сухого газового уплотнения 30. Дополнительное газовое уплотнение содержит пару расположенных в осевом направлении графитовых колец 56 и 58. Радиальное пространство между кольцами 56 и 58 заполняется через проход 60 в поддерживающем узле уплотнения в сообщении с внешним источником (не показан) азота, типично, около с температурой окружающей среды (например, 20°С). По меньшей мере, некоторое количество азота может выпускаться из газового уплотнения 54 через проход 48.
Типично, масляные подшипники работают при температуре порядка 60°С. Посредством подачи криогенного газа на сдвоенное сухое газовое уплотнение 30, криогенная турбина термически изолируется от относительно высокотемпературных подшипников, тем самым способствуя эффективной работе криогенной турбины. Термическое отделение криогенных и некриогенных частей машины улучшено посредством наличия, в соответствии с изобретением, радиального, термического барьерного элемента 70 в форме кольцевого тела из материала низкой теплопроводимости. Термический барьерный элемент 70 прикреплен посредством болтов 72 или аналогичных элементов к части корпуса 74 для криогенного сухого газового уплотнения 36. Термический барьерный элемент 70 образует стенку камеры 76, через которую проходит криогенный газ для сухого газового уплотнения 36, при этом криогенный газ подается из внешнего источника (не показан) через дополнительный внутренний проход 78 в поддерживающем узле 46 уплотнения. Внутренняя грань термического барьерного элемента 70 сцепляется с соответствующей поверхностью втулки 80 на валу 8 посредством дополнительного лабиринтного уплотнения (не показано). Конструкция является такой, что имеют место два выходных пути для криогенного газа, подаваемого в камеру 76. Один проходит через лабиринтное уплотнение, которое обеспечено между термическим барьерным элементом 70 и втулкой 80, и ведет к задней части рабочего колеса 6 турбины. Любой газ, выбирающий этот выходной путь, проходит по внешней периферии рабочего колеса 6 турбины и соединяется с расширяющейся криогенной жидкостью, в одно целое, посредством работы турбины. Другой выходной путь проходит через лабиринтное уплотнение 82 к криогенному сухому газовому уплотнению 36. При работе давление в газовом уплотнении 36 поддерживается достаточно высоким для прохождения большей части (типично около 95%) криогенного газа, пропущенного в камеру 76, к рабочему колесу 6 турбины через лабиринтное уплотнение, которое обеспечено между термическим барьерным элементом 70 и втулкой 80. Если этот газ образуется посредством испарения технологической жидкости, подлежащей расширению, в турбине потери пара технологической жидкости через сдвоенное сухое газовое уплотнение 30 сдерживаются. Типично, технологическая жидкость представляет собой сжиженный природный газ, и температура в камере 76 может поддерживаться при работе в пределах от минус 100°С до минус 150°С. В типичном примере, пар природного газа подается в камеру 76 с температурой порядка минус 145°С. Некоторое количество газа из камеры 76 просачивается через лабиринтное уплотнение 82 в криогенное сухое газовое уплотнение 36. Давление и температура технологического газа, подаваемого под давлением в камеру 76, управляются и поддерживаются (немного) выше точки конденсации для избежания какого-либо повреждения граней 36 сухого газового уплотнения.
Наличие термического барьерного элемента уменьшает скорость, с которой тепло теряется из криогенного сухого газового уплотнения 36, и, таким образом, исключает какую-либо повторную конденсацию криогенного газа между гранями криогенного сухого газового уплотнения 36. Термический барьерный элемент 70 также помогает ограничить холодные температурные удары во время охлаждения машины при запуске.
Рабочее колесо 6 турбины типично отливается из подходящего алюминиевого сплава (т.е. сплава на основе алюминия), но также может выполняться из титана или сплава титана, в частности, если имеется риск эрозии, или если турбина подлежит работе с передачей высокого крутящего момента или высоким уровнем вскипания.
Рабочее колесо 6 турбины может соединяться с валом 8 посредством соединения Хирта. Сам вал 8 может быть выполнен из мартенситной нержавеющей стали, приспособленной для выдерживания таких низких температур, как минус 196°С. Другие составные части, например опора 26 подшипника, поддерживающий узел 46 уплотнения и корпус 74 могут быть выполнены из материалов, которые имеют необходимую техническую прочность и которые являются способными выдерживать диапазон температур, которым они подвергаются во время использования. Нержавеющая сталь или титан является типичным выбором материала для изготовления этих составных частей.
Термический барьерный элемент 70 типично выполнен из материала с чрезвычайно низкой теплопроводностью (например, порядка 0,5 Вт/м/°С), например, эпоксидного ламината с подходящими механическими и термическими свойствами. Альтернативные материалы включают в себя насыщенные графитом полимеры низкой теплопроводности.
Расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, в соответствии с изобретением является способной использовать одну стадию расширения и является предпочтительной по сравнению с известными расширителями с множеством стадий по ряду причин. Во-первых, тепло от подшипника и других фрикционных потерь не передается на технологическую текучую среду. Исключение этого источника тепла может привести к более низкой температуре выхлопных газов из турбины и, в общем смысле, к улучшенной производительности. Во-вторых, рабочее колесо турбины может вращаться с постоянной или заданной скоростью. В-третьих, впускные направляющие лопатки могут быть выполнены образом, известным в данной области техники, чтобы обеспечивать возможность большого изменения потока через расширительную турбину, при этом поддерживая умеренно высокую эффективность. В-четвертых, расширительная турбина может использовать некоторое количество стандартных составных частей высокой надежности функционирования. В-пятых, рабочее колесо турбины может работать с широким диапазоном разных коэффициентов расширения. В-шестых, криогенная турбина с одной стадией имеет фундаментально лучшие эффективности работы, чем криогенная турбина с множеством стадий, так как в первой имеют место меньшие функциональные потери в результате более короткого пути протекания через машину.
Расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, в соответствии с изобретением, также имеет преимущества по сравнению с клапаном Джоуля-Томсона, заключающиеся в том, что работа может восстанавливаться из первой, но не легко из последнего, и в том, что расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, будет достигать более низкой температуры на выпуске для заданной температуры на впуске.
Если требуется, расширительная турбина, работающая на основе криогенной жидкости, в соответствии с изобретением может работать наряду с клапаном Джоуля-Томсона, например, на заводе по сжижению природного газа, приводя к возможности достижения повышенной эффективности процесса и к дополнительному восстановлению электрической энергии, когда турбина соединена с электрическим генератором.
В типичной работе криогенная жидкость может подаваться под давлением, выбираемым из широкого диапазона, например от 10 до 80 бар. Давление на выпуске может составлять от 1 до 10 бар в зависимости от давления на впуске. Эти диапазоны являются типичными и могут быть расширены.