ТУРБОДЕТАНДЕР
TURBINE EXPANSION ENGINE

Настоящее изобретение относится к турбодетандеру с по меньшей мере одним установленным в упорном подшипнике ротором.
Турбодетандеры уже давно используются для производства холода в процессах охлаждения технологических газов, таких, например, как водород, гелий, азот и другие. При этом в результате сопровождающегося потерями сброса давления расширяемого технологического газа и превращения энергии его потока во вращательное движение ротора турбодетандера технологический газ отдает тепло. В ходе этого процесса расширяемый технологический газ охлаждается в соответствующей ступени турбодетандера.
В настоящее время существуют различные системы опор для установки на них роторов турбодетандеров. Турбодетандеры с газо- или аэродинамическими опорами имеют газо- или аэродинамический подшипник, не требующий для его работы подвода газа извне. Временный подвод газа в газодинамический подшипник от внешнего источника необходим лишь при разгоне турбодетандера, а также при снижении частоты вращения его ротора (вала). Для установки валов турбодетандеров с газодинамическими опорами используются радиальные подшипники и один упорный подшипник. Основным функциональным элементом упорного подшипника является при этом его кольцо, которое воспринимает осевые нагрузки, действующие на вал турбодетандера, препятствуя осевому сдвигу вала турбодетандера в направлении турбины и в противоположном направлении.
Турбодетандер указанного в начале описания типа, соответственно его узел с упорными подшипниками более подробно рассмотрены ниже на примере показанного на фиг.1а и 1б варианта. При этом на фиг.1а и 1б турбодетандер схематично показан в зоне его упорных подшипников в продольном разрезе.
На этих чертежах показаны верхний упорный подшипник 3 и нижний упорный подшипник 4. В промежутке между обоими этими упорными подшипниками 3 и 4 расположено связанное с валом 1 турбодетандера кольцо 2. Кольцо 2 образует совместно с упорным подшипником 3 с одной стороны и с упорным подшипником 4 с другой стороны по две пары рабочих поверхностей. Эти пары рабочих поверхностей подшипников служат для восприятия осевых нагрузок, действующих в обоих возможных направлениях вдоль оси вращения вала 1 турбодетандера.
Собственно опорная зона находится в пределах рабочих поверхностей подшипников вблизи тела вала 1 турбодетандера в радиально внутренней части кольца 2. Радиально наружная часть рабочих поверхностей подшипников служит в первую очередь для подачи газа в направлении радиально снаружи внутрь в опорную зону. Зона действия наивысших нагрузок обозначена на фиг.1а кружком 5.
При вращении кольца 2 с высокой окружной скоростью его рабочие поверхности упруго деформируются, принимая показанную на фиг.1б вогнутую форму и увеличиваясь в размерах на величину, которая в абсолютном выражении составляет несколько микрометров. Подобная нежелательная упругая деформация рабочих поверхностей кольца, принимающих при этом вогнутую форму, снижает грузоподъемность упорного подшипника по следующим причинам.
Грузоподъемность упорного подшипника определяется в основном расстоянием между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе (кольце 2), а другая - на статоре (упорном подшипнике 3, соответственно упорном подшипнике 4). В рабочем состоянии указанное расстояние между рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе, а другая - на статоре, составляет лишь несколько микрометров. В принципе с уменьшением возможного устанавливающегося расстояния между рабочими поверхностями возрастает грузоподъемность упорного подшипника. Упругая же деформация рабочих поверхностей расположенного на роторе кольца, принимающих при этом вогнутую форму, уменьшает возможное устанавливающееся расстояние между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе, а другая - на статоре. Упругая деформация рабочей поверхности на роторе (т.е. рабочей поверхности кольца 2) у его наружного края требует увеличения минимально возможного расстояния до рабочей поверхности на статоре (т.е. рабочей поверхности упорного подшипника 3, соответственно упорного подшипника 4), поскольку в противном случае при слишком малом расстоянии между указанными рабочими поверхностями не исключена возможность соударения ротора и статора. При этом с увеличением расстояния между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе, а другая - на статоре, грузоподъемность упорного подшипника снижается.
С увеличением частоты вращения ротора 1 латентно имеющийся у него дисбаланс приводит к нарастанию интенсивности и амплитуды качаний (биений) кольца 2 упорного подшипника. Подобное качание кольца из-за его описанной выше нежелательной упругой деформации, при которой его рабочие поверхностей принимают вогнутую форму, повышает опасность соударения ротора и статора у наружного края кольца 2 и уменьшает площадь его рабочих поверхностей.
Помимо этого упругая деформация кольца 2, при которой его рабочие поверхности принимают вогнутую форму, препятствует нормальной работе упорных подшипников, а именно: выполнению им функции нагнетающего газ в направлении радиально снаружи внутрь геометрического элемента, характеризующегося сужением поперечного сечения и замедлением прохождения в нем потока газа с нарастанием давления.
Наличие у известной конструкции указанных выше свойств не позволяет использовать в полной мере потенциальные и функциональные возможности рабочих поверхностей упорного подшипника при повышенной частоте вращения ротора турбодетандера.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать не имеющий рассмотренных выше недостатков турбодетандер указанного в начале описания типа с по меньшей мере одним установленным в упорном подшипнике ротором.
Указанная задача решается с помощью турбодетандера с по меньшей мере одним установленным в упорном подшипнике ротором, отличающегося тем, что кольцо упорного подшипника выполнено в форме клиноременного шкива, т.е. колеса или диска с желобом по периметру.
В предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении турбодетандера кольцо упорного подшипника расположено в основном на середине общей длины вала турбодетандера, соответственно его ротора.
Предлагаемый в изобретении турбодетандер, а также другие варианты его выполнения более подробно рассмотрены ниже на примере одного из вариантов его выполнения, показанного на фиг.2а и 2б. При этом на фиг.2а и 2б турбодетандер схематично показан в зоне его упорных подшипников в продольном разрезе.
На указанных чертежах также показаны верхний упорный подшипник 3 и нижний упорный подшипник 4. В промежутке между обоими этими упорными подшипниками расположено соединенное с валом 1 ротора кольцо 2' упорного подшипника, которое согласно изобретению выполнено в форме клиноременного шкива. Зона действия наивысших нагрузок также обозначена кружком 5 на фиг.2а.
При вращении кольца 2' с высокой окружной скоростью его рабочие поверхности также упруго деформируются, принимая, однако, не вогнутую, а показанную на фиг.2б и обусловленную формой клиноременного шкива выпуклую форму и увеличиваясь в размерах на величину, которая в абсолютном выражении составляет несколько микрометров. Подобная упругая деформация рабочих поверхностей кольца, принимающих при этом выпуклую форму, повышает грузоподъемность упорного подшипника по следующим причинам.
Происходящая упругая деформация кольца 2', при которой его рабочие поверхности принимают выпуклую форму, положительно сказывается на устанавливающемся расстоянии между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе (шкиве), а другая - на статоре (упорном подшипнике 3, соответственно 4). При этом минимально возможное расстояние между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе, а другая - на статоре, уменьшается, а максимальная грузоподъемность упорного подшипника повышается.
Кольцо 2' упорного подшипника предпочтительно располагать на середине общей длины ротора турбодетандера. Благодаря приданию кольцу 2' упорного подшипника геометрической формы клиноременного шкива при его вращении возникает гироскопический эффект волчка, противодействующий возможному качанию кольца, обусловленному латентным дисбалансом вала 1 турбодетандера. Бочкообразность рабочих поверхностей ротора, являющаяся следствием их упругой деформации, при которой они принимают выпуклую форму, не может привести к опасности соударения ротора и статора у радиально наружного края кольца 2' упорного подшипника.
Помимо этого упругая деформация рабочих поверхностей кольца 2', при которой они принимают выпуклую форму, положительно влияет на функциональность парных рабочих поверхностей. При такой деформации происходит сужение поперечного сечения промежутка между двумя парными рабочими поверхностями в направлении радиально внутрь от наружного края кольца 2' к валу 1 ротора турбодетандера. Тем самым повышается степень сжатия газа в промежутке между парными рабочими поверхностями, одна из которых расположена на роторе, а другая - на статоре.
Благодаря рассмотренным выше свойствам предлагаемого в изобретении турбодетандера впервые появляется возможность использовать в полной мере потенциальные и функциональные возможности рабочих поверхностей упорного подшипника при повышенной частоте вращения ротора турбодетандера.