ООО «КРИОМАШ-БЗКМ» образовано в 1976 году. За более чем 40-летнюю историю предприятием разработан и изготовлен широкий спектр криогенного оборудования, в том числе криогенные установки с турбодетандерами (ТД) на газостатических опорах. Эффективность использования турбодетандера — его эффективный КПД — зависит от величины потерь мощности на трение в подшипниках.
Это обстоятельство заметно сказывается на величине КПД для машин малой и средней мощности (10-100 Квт), у которых потери на трение (например, в масляных подшипниках) могут достигать 30-50% мощности детандера в целом.
В отдельных случаях потери на трение в масляных подшипниках могут препятствовать достижению расчетной скорости вращения ротора, что заметно влияет на КПД машины и криогенной установки, в которой они установлены.
Проблематика газостатических опор
Потери на трение в газостатических опорах незначительны (100…200 вт) и в расчетах КПД могут не учитываться. Принимая во внимание это обстоятельство, мы впоследствии разрабатывали и изготавливали криогенные турбодетандеры только на газостатических подшипниках.
Слабое место газостатических опор — это обеспечение безаварийного прохождения резонанса собственных частот и частот вращения вала при пуске и остановке ТД. Но методика расчета конструкции вала и газостатических опор, разработанная на нашем предприятии кандидатом технических наук Прямицыным Е.И., позволила решить эту задачу.
Практические решения
В 1997 году в составе ожижителя для атомной станции в г. Малаппурам (Индия), был поставлен ТД на газостатических опорах. Турбодетандер имел вал диаметром 28 мм, на котором, с одной стороны, крепилось радиально-осевое колесо, а с другой стороны — тормоз в виде колеса газодувки. Вал устанавливался на газостатических осевых и радиальных подшипниках, выполненных из графита с содержанием свинца. В установившемся режиме частота вращения вала достигала 120 000 оборотов в минуту. Подшипники специальной конструкции имели по 6 питателей диаметром 1,2 м каждый, через которые наддувался гелий под давлением 25-30 кгс/см2. Графито-свинцовые подшипники притирались чугунными притирами до образования радиальных зазоров между валом и опорой 10-12 мкм. По нашей информации, установка работает до настоящего времени.
В 2015-2017 гг. ООО «Криомаш-БЗКМ» спроектировало и изготовило большой гелиевый рефрижератор для стенда испытаний криогенных водородных и метановых баков тяжелых ракетоносителей. Технология испытаний баков предусматривала захолаживание их до температур криогенных жидкостей циркуляцией холодного газообразного гелия. Для обеспечения температуры гелия на выходе из рефрижератора равной 13К в двух низкотемпературных блоках, расположенных последовательно, было запроектировано по одному ТД.
На первую ступень ТД охлажденный до азотных температур гелий поступал с давлением 2,4-2,5 МПа и расходом 1 400-1 600 кг/час. На входе во вторую ступень давление составляло 1,4-1,6 МПа, а на выходе падало до 0,3-0,35 Мпа. Холодопроизводительность рефрижератора при 13-14К составляла 12,7-14квт. На Рис.1 показаны 3Д модель турбодетандера в сборе с теплообменником.
Источник иллюстрации: автор.
Газостатические подшипники обеих ступеней ТД запитывались очищенным гелием от специального ресивера с давлением на входе 2,5Мпа и 0,15-0,3Мпа — на выходе. Расход гелия на опоры не превышал 50 кг/час. Скорость вращения вала первой ступени составляла 80 000, а второй – 90 000 оборотов в минуту.
Рабочее колесо детандерной ступени (см. Рис. 2), цельно фрезерованное радиально-осевое закрытого типа с каналами, выполненными методом пространственного фрезерования.
На покрывном диске детандерного колеса выполнены гребни лабиринтного уплотнения, которые — в паре с графитовым кольцом направляющего аппарата — образуют эффективное торцевое уплотнение, снижающее перетечки газа между входом и выходом колеса.
Рабочее колесо тормозной ступени (см. Рис. 3) осерадиальное полуоткрытого типа.
Для уменьшения теплопритоков корпус ТД имеет теплоизолирующий стеклопластиковый мост.
Эффективность решений «КриоМАШ» доказана экспериментами
Специальная конструкция рабочего колеса, разработанная методика расчета конструкции вала и подшипников, а также целый ряд решений, снижающих перетечку холодного газа и теплопритоков в холодную зону, обеспечили высокую эффективность разработанных предприятием ТД.
Экспериментальные испытания ТД на заводском стенде с отработкой эффективных конструктивных решений позволили добиться адиабатического КПД равного 82%. И это несмотря на то, что тормозное колесо не участвует в получении полезной работы.
ООО «Завод КриоМАШ» имеет уникальный стенд для испытаний ТД мощностью до 100 Квт, что дает возможность разрабатывать и производить высокоэффективные турбодетандеры — как для криогенных установок, так и для производства электроэнергии, используя перепад давлений на газораспределительных станциях.
