ТУРБОДЕТАНДЕР
TURBOEXPANDER

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».