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 уплотнения 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 турбодетандере, 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 одной осевой опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора и осевая турбина, при этом в корпусе выполнены полость на входе в осевую турбину и разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной (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.
Техническим результатом, на достижение которого направлена настоящая полезная модель, является увеличение межремонтного ресурса турбодетандера путем совершенствования системы стабилизации положения вала при переменных нагрузках, особенно в период запуска и останова турбодетандера за счет повышения работоспособности турбодетандера при перегрузках от осевых сил.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что турбодетандер содержит корпус, в котором на двух радиальных и одной осевой опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал, а на последнем установлены рабочее колесо центробежного компрессора и осевая турбина, причем в корпусе
выполнены полость на входе в осевую турбину и разгрузочная полость между рабочим колесом центробежного компрессора и осевой турбиной, при этом осевая опора выполнена в виде двух упорных подшипников, каждый из которых установлен между сопряженными с боковыми поверхностями наружной обоймы упорного подшипника кольцевыми упругими пластинами, установленными в корпусе осевой опоры, а диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин каждого из подшипников и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника относительно его наружной обоймы в осевом направлении каждого из упорных подшипников относительно друг от друга не превышает ±10%.
В ходе анализа работы турбодетандера было установлено, что при переходных режимах работы, а также пуске и остановке турбодетандера, когда перепад давлений газа на турбине существует, а центробежный компрессор из-за низких оборотов не создает требуемого перепада, система газодинамической разгрузки работает неэффективно. Это приводит к кратковременному возникновению критических осевых усилий, а зачастую и к поломке подшипника осевой опоры и, как следствие, поломке элементов проточной части турбодетандера.
Частые поломки требуют увеличения количества резервных турбодетандеров, увеличивают стоимость обслуживания и ремонта, что делает применение турбодетандеров, особенно высокого давления (>5 МПа) неэффективным. Установка двух упорных подшипников может создать условия, при которых возникшее осевое усилие воспринимают оба упорных подшипника. Важно, чтобы это усилие было равномерно распределено между подшипниками. Принимая во внимание, что осевое усилие распределяется между подшипниками прямопропорционально величине люфта в подшипниках и обратно пропорционально жесткости диафрагм, подбирают упругие пластины и подшипники с приблизительно одинаковой податливостью в осевом направлении кольцевых упругих пластин (одинаковой жесткостью) и одинаковым свободным перемещением внутренней обоймы каждого упорного подшипника относительно его наружной обоймы в осевом направлении (одинаковым люфтом). В этом случае усилие, воспринимаемое каждым из упорных подшипников, практически равно, т.е. делится на 2. При назначенных допусках второй подшипник воспринимает не менее 80% полной величины осевого усилия, что повышает работоспособность обоих подшипников. Таким образом, в ходе проведенного исследования было установлено, что для повышения работоспособности необходимо, чтобы диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин каждого из подшипников и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника относительно его наружной
обоймы в осевом направлении для каждого из упорных подшипников относительно друг от друга не превышало±10%.
На фиг.1 показан продольный разрез турбодетандера, а на фиг.2 показан увеличено вырыв I на фиг.1
Турбодетандер содержит корпус 1, в котором на двух радиальных 2 и одной осевой 3 опорах, выполненных в виде подшипников качения, установлен вал 4, а на последнем установлены рабочее колесо 5 центробежного компрессора 6 и осевая турбина 7. В корпусе 1 выполнены полость 8 на входе в осевую турбину 7 и разгрузочная полость 9 между рабочим колесом 5 центробежного компрессора 6 и осевой турбиной 7. Осевая опора 3 выполнена в виде двух упорных подшипников 10, каждый из которых установлен между сопряженными с боковыми поверхностями наружной обоймы упорного подшипника 10 кольцевыми упругими пластинами 11, установленными в корпусе 12 осевой опоры 3. Диапазон разброса податливости в осевом направлении кольцевых упругих пластин 11 каждого из подшипников 10 и свободное перемещение внутренней обоймы упорного подшипника 10 относительно его наружной обоймы в осевом направлении каждого из упорных подшипников 10 относительно друг от друга не превышает ±10%.
Газ, как правило природный газ, температурой около 15°С и давлением порядка 10 МПа из компрессорной установки поступает на рабочее колесо 5 центробежного компрессора 6 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 8 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. При пуске и остановке турбодетандера, когда перепад давлений газа на осевой турбине 7 существует, а центробежный компрессор 6 из-за низких оборотов еще не создает требуемого перепада давления на рабочем колесе 5, система газодинамической разгрузки работает неэффективно. Это приводит к кратковременному возникновению критических осевых усилий. При возникновении осевого усилия его воспринимают оба упорных подшипника 10. Это усилие распределяется между упорными подшипниками 10 приблизительно одинаково, т.е. делится на 2. При указанных выше допусках второй упорный подшипник воспринимает не менее 80% осевого усилия на валу 4.
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.