ТУРБОДЕТАНДЕР

Полезная модель относится к холодильной технике и может быть использована в качестве источника холода в различных системах, использующих природный газ, например в установках низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой в условиях вечной мерзлоты.
Известен турбодетандер, содержащий корпус с радиальной турбиной и компрессором, размещенными в нем на валу, установленном на радиально-осевых подшипниковых опорах, маслосистему и уплотнение вала (см. патент RU №1575025, кл. F 25 B 11/00, 30.06.1990).
При работе турбодетандера вал подвержен осевой нагрузке, при этом ось вала совершает колебательные движения и осевые перемещения вследствие податливости подшипниковых опор, что приводит к износу и разрушению подшипников. Кроме того, в радиальной турбине, использованной в данном турбо детандере, под воздействием газового конденсата быстро наступает износ лопаток.
Наиболее близким к полезной модели по техническому результату является турбодетандер, содержащий корпус, в котором на двух радиальных и осевой подшипниковых опорах установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора с основным диском и осевая турбина с рабочими лопатками, установленными на турбинном диске, при этом в корпусе выполнены полость на входе в осевую турбину, полость отвода сжатого газа из центробежного компрессора и кольцевая разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной, ограниченная корпусом, основным диском рабочего колеса и валом (см., патент RU №2200916, кл. F 25 B 11/00, 20.03.2003).
В данном турбодетандере частично решены проблемы по снижению осевой нагрузки на подшипниковые опоры. Однако вал подвержен значительной нагрузке в момент запуска, что снижает надежность работы турбодетандера. Кроме того, перепуск горячего сжатого газа на выход из турбины приводит к нагреву газа и, как следствие, к снижению эффективности работы турбодетандера.
Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является улучшение эксплуатационных характеристик турбодетандера путем совершенствования системы стабилизации положения вала при переменных нагрузках, особенно в период запуска и останова турбодетандера.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что турбодетандер содержит корпус, в котором на двух радиальных и осевой подшипниковых опорах установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора с основным диском и осевая турбина с рабочими лопатками, установленными на турбинном диске, причем в корпусе выполнены полость на входе в осевую турбину, полость отвода сжатого газа из центробежного компрессора и кольцевая разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной, ограниченная корпусом, основным диском рабочего колеса и валом, при этом турбодетандер снабжен второй кольцевой разгрузочной полостью, переключающим устройством и управляющим перепускным устройством, разгрузочная полость через переключающее устройство сообщена с полостью на входе в турбину или полостью отвода сжатого газа из центробежного компрессора и через лабиринтное уплотнение, выполненное на основном диске рабочего колеса, с областью на выходе из рабочего колеса, а полость на входе в осевую турбину сообщена через управляющее перепускное устройство со второй разгрузочной полостью, которая выполнена в корпусе за турбинным диском по ходу сжатого газа через осевую турбину.
Турбодетандер может быть снабжен датчиком осевого перемещения вала, подсоединенным к внешнему управляющему устройству, подключенному к управляющему перепускному устройству.
Как показал анализ работы турбодетандера разгрузка вала от осевых нагрузок на переменных режимах работы и особенно в период запуска является важной задачей по повышению надежности работы турбодетандера. Кроме того, важно таким образом перераспределить газ в турбо детандере, чтобы это не приводило к снижению эффективности его работы. Как отмечалось выше, нецелесообразно перепускать сжатый газ из разгрузочной полости между компрессором и турбиной в канал на выходе из осевой турбины, поскольку это приводит к повышению температуры газа на выходе из турбодетандера, а также может привести не к разгрузке, а к дополнительному нагружению ротора осевыми силами в сторону турбины.
Добиться эффекта повышения холодопроизводительности турбодетандера, а, следовательно, повышении охлаждения газа и выхода конденсата, удалось за счет того, что в разгрузочную полость подается из полости на входе в турбину охлажденный предварительно в газо-воздушном, а затем регенеративном теплообменнике газ.
Наличие двух независимых разгрузочных полостей для разгрузки от осевых сил (по компрессору - с дискретным, ступенчатым управлением и с плавной регулировкой по турбине) позволяет обеспечить допускаемые осевые силы на всех режимах и схемах
работы турбодетандера и исключает инерционность системы разгрузки, возникающей от технологического оборудования и объемов трубопроводов между компрессором и турбодетандером. Как следствие, эффективная двухступенчатая разгрузка продлевает срок службы турбодетандера, обеспечивает его надежную работоспособность и увеличивает межремонтный период.
На чертеже показан продольный разрез турбодетандера.
Турбодетандер содержит корпус 1, в котором на двух радиальных 2 и осевой 3 подшипниковых опорах установлен вал 4, а на последнем установлены рабочее колесо 5 центробежного компрессора с основным диском 6 и осевая турбина 7 с рабочими лопатками 8, установленными на турбинном диске 9. В корпусе 1 выполнены полость 10 на входе в осевую турбину 7, полость 11 отвода сжатого газа из центробежного компрессора и кольцевая разгрузочная полость 12 между рабочим колесом 5 центробежного компрессора и осевой турбиной 7, ограниченная корпусом 1, основным диском 6 рабочего колеса 5 и валом 4. Турбодетандер снабжен второй кольцевой разгрузочной полостью 13, переключающим устройством 14 и управляющим перепускным устройством 15. Разгрузочная полость 12 через переключающее устройство 14 сообщена с полостью 10 на входе в турбину 7 или полостью 11 отвода сжатого газа из центробежного компрессора и через лабиринтное уплотнение 16, выполненное основном диске 6 рабочего колеса 5 с областью на выходе из рабочего колеса 5, а полость 10 на входе в осевую турбину 7 сообщена через управляющее перепускное устройство 15 со второй разгрузочной полостью 13, которая выполнена в корпусе 1 за турбинным диском 9 по ходу сжатого газа через осевую турбину 7.
Газ, как правило природный газ, температурой около 15°С и давлением порядка 10 МПа из компрессорной установки поступает на рабочее колесо 5 центробежного компрессора турбодетандера, где дополнительно сжимается и затем направляется на внешние устройства охлаждения, например в газо-воздушный и регенеративный теплообменники (не показаны на чертеже). После этого охлажденный газ поступает в полость 10 на входе в осевую турбину 7 и затем в турбину 7, где при расширении газа его температура и давление понижаются, в частности температура до -35°С, а давление до 6,3 МПа. Расширенный и охлажденный газ из турбодетандера подают в установки для его окончательной подготовки к транспортировке по газовой магистрали, например в сепаратор для отделения конденсата и регенеративный теплообменник для охлаждения газа, выходящего из центробежного компрессора. При возникновении осевого усилия на валу 4, например в результате падения давления в разгрузочной полости 12 с помощью переключающего устройства 14 осуществляют подачу сжатого газа из полости 10 на
входе в турбину 7 или из полости 11 отвода сжатого газа. Одновременно дополнительная регулировка осевого усилия на валу 4 осуществляется путем подачи сжатого газа из полости 10 на входе в турбину 7 через управляющее перепускное устройство 15 во вторую разгрузочную полость 13. Изменением проходного сечения управляющего перепускного устройства 15 устанавливается необходимое давление газа во второй разгрузочной полости 13, также воздействующее на вал 4 через турбинный диск 9. При выравнивании осевой нагрузки на вал 4 перепуск газа в разгрузочные полости 12 и 13 прекращается.
При необходимости для автоматизации процесса контроля за положением вала 4 на последнем может быть установлен датчик 17 осевого перемещения вала 4, подсоединенный к внешнему управляющему устройству 18, которое выдает сигнал управляющему перепускному устройству 15, что позволяет более оперативно регулировать давление газа во второй разгрузочной полости 13.
Данная полезная модель может быть использована в качестве источника холода в устройствах, использующих природный газ, в том числе для низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой по газопроводам, проложенным в условиях вечной мерзлоты.