ООО "Криомаш-БЗКМ" представило турбодетандеры на газостатических опорах

За свою долгую историю ООО "Криомаш-БЗКМ" разработало и изготовило широкий спектр криогенного оборудования, включая криогенные установки с турбодетандерами на газостатических опорах.
Эффективность использования турбодетандера зависит от величины потерь мощности на трение в подшипниках. Это обстоятельство заметно сказывается на величине КПД для машин малой и средней мощности, у которых потери на трение 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.
Потери на трение в газостатических опорах незначительны, и в расчетах КПД они могут не учитываться. Принимая во внимание это обстоятельство, сотрудники ООО "Криомаш-БЗКМ" стали изготавливать криогенные турбодетандеры только на газостатических подшипниках.
Слабым местом газостатических опор считается обеспечение безаварийного прохождения резонанса собственных частот и частот вращения вала при пуске и остановке турбодетандера. Но методика расчета конструкции вала и газостатических опор, разработанная на предприятии кандидатом технических наук Прямицыным Е. И., позволила решить эту задачу.
Еще в 1997 году в составе ожижителя для атомной станции в индийский город Малаппурам был поставлен турбодетандер на газостатических опорах. Прибор имел вал диаметром 28 мм, на который крепились радиально-осевое колесо и 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 тысяч оборотов в минуту. Подшипники специальной конструкции имели по 6 питателей, через которые наддувался гелий. Графито-свинцовые подшипники притирались чугунными притирами до образования радиальных зазоров между валом и опорой. Данная установка работает по сей день.
В период с 2015 по 2017 год ООО "Криомаш-БЗКМ" спроектировало и изготовило большой гелиевый рефрижератор для стенда испытаний криогенных водородных и метановых баков тяжелых ракет-носителей. Технология испытаний баков предусматривала захолаживание их до температур криогенных жидкостей циркуляцией холодного газообразного гелия. Для обеспечения необходимой температуры гелия на выходе из рефрижератора в двух низкотемпературных блоках, расположенных последовательно, были предусмотрены турбодетандеры.
На первую ступень турбодетандера охлажденный до азотных температур гелий поступал с давлением 2,4-2,5 МПа и расходом 1400-1600 кг/час. На входе во вторую ступень давление составляло 1,4-1,6 МПа, а на выходе оно падало до 0,3-0,35 МПа. Холодопроизводительность рефрижератора при 13-14 градусах Кельвина составляла 12,7-14 КВт.
Газостатические подшипники обеих ступеней турбодетандера запитывались очищенным гелием от специального ресивера с давлением 2,5 МПа на входе и 0,15-0,3 МПа на выходе. Расход гелия на опоры не превышал 50 кг/час. Скорость вращения вала первой ступени составляла 80000, а второй − 90000 оборотов в минуту.
На покрывном диске детандерного колеса были расположены гребни лабиринтного уплотнения, которые в паре с графитовым кольцом направляющего аппарата образовали эффективное торцевое уплотнение, снижающее перетечки газа между входом и выходом колеса. Для уменьшения теплопритоков корпус турбодетандера имел теплоизолирующий стеклопластиковый мост.
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 решений.
Экспериментальные испытания турбодетандеров на заводском стенде позволили добиться адиабатического КПД 82%, несмотря на то, что тормозное колесо не участвовало в получении полезной работы.
ООО "Завод КриоМАШ" имеет уникальный стенд для испытаний турбодетандеров мощностью до 100 КВт, что дает возможность разрабатывать и производить высокоэффективные приборы как для криогенных установок, так и для производства электроэнергии, используя перепад давлений на газораспределительных станциях.