CS246659B1 - Expansion turbine - Google Patents

Description

(54) Expanzní turbina

Účelem řešeni je zvýšení účinnosti expanzní turbíny. Vysokootáčková expanzní turbína určená pro heliová kryogenní zařízení s malým výkonem, sestává v nízkoteplotní části s rozváděčem plynu a z hřídele s pracovním kolem uloženém v plynových axiálních kluzných ložiskách (5) a v plynových radiálních kluzných ložiskách (4) společně upevněných v ložiskových štítech (1, 2), pevně spojených s tělesem (7) elektrické vířivé brzdy. Nízkoteplotní část je připevněna k ložiskovému štítu (1) ze strany pracovního kola přírubou (12) a tenkostěnným mostem (13) vytvořeným z materiálu o nízké tepelné vodivosti. V nízkoteplotní části je vytvořena komora, do které je na jedné straně zaústěno potrubí (16) pro přívod plynu, a nA opačné straně je vytvořen kanál (18) zužující se ve směru k lopatkám (19^ rozváděče a opatřený šik- , mými usměrňovacími lopatkami (17).

Vynález se týká vysokootáčkové expanzní turbíny sloužící k dosahování hlubokých teplot, určené zejména pro heliová kryogenní zařízení s malým chladicím výkonem. *

Známé expanzní turbíny sestávají z pracovního stupně, rotoru s kapalinovými nebo plynovými ložisky a brzdicího zařízení. Brzdicím zařízením bývá kapalinová brzda nebo kompresorové ^kolo umíst^ěn^é na s^po^le^čn^ém hřídelí., ^přípa^dn^{ě g}ener^átor s^ync^hronn^ího ne^bo async^hronn^ího ty^pu.

Expanzní turbíny malých kryogenních heliových zařízení dosahují výkonu 100 až 1 000 W a pro dosažení příznivé účinnosti používají pracovní stupně s koly průměru 10»20 mm, která se otáčejí až 300 000 ot/min. Malý výkon a mimořádně vysoké otáčky vylučují použití kapalinových ložisek, která mají velké vnitřní tření. Plynová radiální ložiska mají dostatečně malé vnitřní tření, avšak ve statickém provedení s přívodem tlakového plynu do ložisek jsou ' náchylná na vznik dynamických nestabilit vznikajících při. vysokých rychlostech otáčení.

Plynová radiální segmentová ložiska dynamického typu nejsou citlivá na vznik dynamických nestabilit, vyžadují však výrazně vyšší přesnost výroby než statická plynová ložiska. Kapa- .

linové brzdicí zařízení, vhodné pro větší výkony, výrazně komplikuje konstrukci expanzní turbíny, protože je nutné dokonale oddělit prostor pracovního plynu a prostor brzdné kapaliny, obvykle oleje.

Brzdění expanzní turbíny kompresorem, stejně jako kapalinovou brzdou, je vzhledem k jejich dynamickým vlastnostem obtížně regulovatelné pomocí řídicího procesoru. Vhodné dynamické vlastnosti i jednoduché metody regulace mají elektrická brzdicí zařízení s asynchronním, případně synchronním alternátorem. Pro vysokootáčkové expanzní turbíny malých kryogenních zařízení jsou však nepoužitelné vzhledem k omezené mechanické pevnosti rotoru, která neumož²nuje dosáhnout dostatečně vysokých otáček.

Pro zajištění dostatečné přesnosti vzájemné polohy pracovního kola a rozváděčích lopatek pracovního stupně jsou díly expanzní turbíny obvykle sestaveny ve společném tělese. Pracovní stupeň vysokootáčkových expanzních turbín heliových kryogenních zařízení pracuje při mimořádně n^ízkých pracovn^ích te^plot^ác^h a^ž -²⁶⁰ °C. Tělesem expanzní ^turbíny uve^den^é instrukce jsou k pracovnímu stupni přiváděny značné tepelné toky snižující chladicí výkon expanzní turbíny.

Použití společného tělesa expanzní turbíny vyžaduje provést alespoň jeden demontovatelný spoj v nízkoteplotní části, obvykle v části z vnější strany tepelně izolované vakuem. Vakuově těsné provedení ’ tohoto nízkoteplotního spoje je technicky mimořádně náročné. Další známé provedení připojení nízkoteplotní části bez demontovatelného spoje je pomocí dvojice tenkostěnných mostů. Toto provedení řeší problém těsnosti za cenu dvojnásobných tepelných toků k pracovnímu stupni expanzní turbíny.

Uvedené nedostatky odstraňuje expanzní turbína podle vynálezu, zahrnující nízkoteplotní část s rozváděčem plynu a hřídel s pracovním kolem, uložený v plynových axiálních kluzných ložiskách a v plynových radiálních kluzných ložiskách se třemi stavitelnými naklápěcími segmenty, přičemž axiální kluzná ložiska i radiální kluzná ložiska jsou umístěna symetricky vně elektrické vířivé brzdy.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že radiální kluzná ložiska jsou společně s axiálními ložisky upevněna v ložiskových štítech pevně spojených s tělesem elektrické vířivé brzdy. Nízkoteplotní část je připevněna k ložiskovému štítu ze strany pracovního kola přírubou a tenkostěnným mostem. V nízkoteplotní části je vytvořena komora, do které je na jedné straně zaústěno potrubí pro přívod plynu a na opačné straně je opatřena kanálem zužujícím se ve, směru k lopatkám rozváděče.

Tenkostěnný most, s výhodou rotační, je vytvořen z materiálu o nízké tepelné vodivosti. V komoře nízkoteplotní části je mezi potrubím pro vstup plynu a kanálem umístěn filtr, přičemž kanál je opatřen šikmými usměrňovacími lopatkami. Radiální kluzné ložisko se stavitelnými

I svým závitovým koncem ulostavěcím dorazem a pouznaklápěcími segmenty je tvořeno tak, že k podpěře naklápěcího segmentu je na straně protilehlé k čelní ploše umístěno pouzdro na dříku stavěcího šroubu, který je žen ve stavěcím dorazu uchyceném v ložiskovém tělese, přičemž mezi drem je souose upraven pružný element.

nízkoteplotní části, příŘešení expanzní turbíny podle vynálezu omezuje tepelné toky k vodem tepla z teplého tělesa expanzní turbíny. Uspořádání axiálních a radiálních ložisek v ložiskových štítech vně vířivé brzdy zajišEuje stabilní provoz při vysokých otáčkách, šroubovitý pohyb plynu vstupujícího do lopatek rozváděče, způsobený usměrňovacími lopatkami a vhodnou volbou průřezů kanálů, zajišEuje bezeztrátový vstup do lopatek rozváděče a tím i lopatek pracovního kola, což se projeví zvýšenou účinností expanzní turbíny. Filtr, umístěný v komoře nízkoteplotní části, kromě filtračního účinku, přispívá, k rovnoměrnému rozdělení plynu před vstupem do šikmých usměrňovačích lopatek. Podpěry stavitelných naklápěcích segmentů radiálních kluzných ložisek umožňují nezávislým natáčením stavěcího dorazu a stavěcího šroubu nastavení základní ložiskové vůle s přesností 0,5 um.

Možnost přesného nastavení ložiskové vůle při montáži výrazně snižuje nároky na přesnost výroby ložisek. Pružný element, umístěný mezi pouzdrem a stavěcím dorazem, vymezuje jednak vůli v závitu, jednak umožňuje posunutí pouzdra a tedy i ložiskového segmentu směrem od osy ložiska. Tato možnost se uplatní zejména při velmi rozdílných teplotních režimech ložiska, eventuálně při havarijních stavech, kdy takto dochází k automatické kompenzaci ložiskové vůle.

Příklad provedení expanzní turbíny podle vynálezu je znázorněn na výkresech, kde na obr. 1 je řez expanzní turbínou a na obr. 2 je řez naklápěcího segmentu s pružinou.

Pracovní kolo ' 10 je uloženo na hřídeli 6 uloženém v plynových radiálních kluzných ložiskách 2 ^a plynových axiálních kluzných ložiskách 2» která jsou upevněna v ložiskových štítech a 2. bo^žiskov^é Sťít^y 2 a 2 jsou ^připevn^ěny к ^tělesu ví^řiv^{é b}rzdy. Nízkote^piotn^{í čá}st expanzní turbíny je tvořena lopatkami 19 rozváděče, které jsou pokračováním kanálu 18 spojeného s komorou 21, do které je zaústěno potrubí 16 pro přívod plynu. Potrubím 20 je expandovaný plyn odváděn z nízkoteplotní části. Do kanálu 18 jsou vloženy šikmé usměrňovači lopatky 27, v komoře 14 je umístěn filtr 25· Tenkostěnným mostem 13 je nízkoteplotní část expanzní turbíny spojena s přírubou 22, která ji připevňuje k ložiskovému štítu 2- Na obr. 2 je stavitelný naklápěcí segment radiálních kluzných ložisek nesen podpěrou 2 s pouzdrem 2 umístěným na dříku stavěcího šroubu 21, který je svým závitovým koncem uložen ve stavěcím dorazu 22 uchyceném v ložiskových štítech 2» 2.· Mezi stavěcím dorazem 22 a pouzdrem 2 je souose úpraven pružný element 23,

Funkce expanzní turbíny , je· následující: stlačený chladný plyn je přiváděn potrubím 16 do komory 14» kde prochází filtrem 15 a poté, rovnoměrně rozdělen, vstupuje do kanálu ,18, ve kterém je šikmými usměrňovacími lopatkami 17 uveden do šroubovitého pohybu tak, aby se shodným úhlem vstupoval do lopatek 19 rozváděče. Plyn, usměrněný lopatkami 19 rozváděče, předává při průchodu pracovním kolem energii hřídeli 6, který se otáčí v ložiskách 4_, 5. V tělese vířivé brzdy je energie přeměněna v teplo odváděné chladicí vodou. Expanzí ochlazený plyn je odváděn potrubím ,20. Pro omezení přívodu tepla k nízkoteplotní části je tato nesena tenkostěnným mostem 13 z materiálu o nízké tepelné vodivosti. Pomocí příruby 12 je nízkoteplotní část spojena s ložiskovým štítem 2· Kluzná radiální ložiska mají naklápěcí segmenty nesené podpěrami 2, jejichž , přesná poloha je zajištěna tak, že stavitelná podpěra 2 se opírá o pouzdro 2 dorazu nasazené na dříku 9 stavěcího šroubu 21. Dosednutí pouzdra 2 dorazu na nákružek stavěcího šroubu 21 zajišEuje pružný element ,23, který se svým opačným koncem opírá o stavěči doraz 22. Závit stavěcího šroubu 21 a případný vnější závit stavěcího dorazu 22 mají přednostně různé stoupání, což zajišEuje , jemnou regulaci polohy podpěry 2 a tím i segmentu radiálního ložiska 2·

Claims (5)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Expanzní turbína zahrnující nízkoteplotní část s rozváděčem plynu a hřídel s pracovním kolem, uložený v plynových axiálních kluzných ložiskách a v plynových radiálních kluzných ložiskách se třemi stavitelnými naklápěcími segmenty, přičemž plynová axiální kluzná ložiska i plynová radiální kluzná ložiska jsou umístěna symetricky vně elektrické vířivé brzdy, vyznačená tím, že radiální kluzná ložiska (4) jsou společně s axiálními kluznými ložisky (5) upevněna v ložiskových Štítech (1, 2) pevně spojených s tělesem (7) elektrické vířivé brzdy, přičemž nízkoteplotní část je připevněna k ložiskovému štítu (1) ze strany pracovního kola přírubou (12) a tenkostěnným mostem (13), zatímco v nízkoteplotní části je vytvořena komora (14), do které ‘je na jedné straně zaústěno potrubí (16) pro přívod plynu a na opačné straně je vytvořen kanál (18) zužující se ve směru k lopatkám (19) rozváděče a opatřený šikmými usměrňovacími lopatkami (17).
2. 2. Expanzní turbína podle bodu 1, vyznačená tím, že tenkostěnný most (13)je vytvořen z materiálu o nízké tepelné vodivosti.
3. 3. Expanzní turbína podle bodu 1, vyznačená tím, že tenkostěnný most (13) je proveden jako rotační. -
4. 4. Expanzní turbína podle bodů 1 a 2, vyznačená tím, že v komoře (14) mezi potrubím (16) pro vstup plynu a kanálem (18) je umístěn filtr (15).
5. 5. Expanzní turbína podle bodu 1, vyznačená ' tím, že radiální kluzné ložisko se stavitelnými naklápěcími segmenty je tvořeno tak, že k podpěře (3) naklápěcího segmentu je na straně protilehlé k čelní ploše umístěno pouzdro (8) na dříku (9) stavěcího šroubu (21), který je svým závitovým koncem uložen ve stavěcím dorazu (22), uchyceném v ložiskových štítech (1, 2), přičemž mezi stavěcím dorazem (22) a pouzdrem (8) je souose upraven pružný element (23).