Расчет турбодетандера низкого давления для получения жидкого кислорода

1.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
(ФГБОУ ВО «ВГТУ» ВГТУ)
ФАКУЛЬТЕТ радиотехники и электроники
КАФЕДРА твёрдого тела
Расчет турбодетандера низкого давления для получения жидкого кислорода
Обучающийся Г.Р.Васильченко
Руководитель по практической подготовке К.Г.Королев
Воронеж 2022

2. Цели и задачи

Для получения жидкого кислорода применяют цикл низкого давления с турбодетандером.
Цель работы - расчет турбодетандера установки низкого давления для получения жидкого кислорода.
Задачи работы:
- систематизировать научно-технические данные по теме ВКР;
- выполнить термогазодинамический расчет ТД установки низкого давления для получения жидкого
кислорода;
- определить параметры состояния, размеры и число оборотов ТД;
- определить адиабатический КПД, холодопроизводительность и мощность ТД

3.

Схема цикла сжижения
воздуха низкого давления с
турбодетандером
Исходные данные
Название
Угол потока на выходе из направляющего
аппарата (НА)
Угол потока на выходе из рабочего колеса
(РК)
Угол лопатки на входе в колесо
Угол лопатки на выходе из колеса
Скоростной коэффициент направляющего
аппарата
Скоростной коэффициент рабочего колеса
Тип рабочего колеса
Приведенный диаметр колеса
Коэффициент стеснения воронки колеса
Коэффициент стеснения сечения на входе в
колесо
Коэффициент стеснения сечения на выходе
из колеса
Адиабатический КПД
Коэффициент возврата потери
теплоперепада в направляющем аппарате
Изображение цикла сжижения
воздуха низкого давления с турбодетандером в Т - s-диаграмме
Значение
1= 12°
2 = 90°
β1= 90°
β2 = 32°
φ = 0,85
ψ = 0,82
одностороннее,
радиально-осевое
без покрывного
диска
d2 = 0,36
вт=0,42
1 = 0,85
2 = 0,85
ηад = 0,7
с = 0,05
Начальное давление р0 = 0,6 МПа.
Конечное давление рк = 0,15 МПа.
Начальная температура Т0 = 130 К.
Расход воздуха m = 0,003 кг/с.
Газовая постоянная по воздуху R = 287 Дж/(кг*град).
Показатель идеальной адиабаты k = 1,4.

4.

Турбодетандер делает от 40 до 60 тыс. оборотов в минуту и может пропускать от 500 до 1 000 м3 воздуха в
час.
Ротор 1 имеет лопатки 2 и вращается в корпусе 3, снабженном направляющими соплами 4, которые
расположены в канале с улиткообразным очертанием.
Воздух при давлении около 5-6 атм с температурой 115 К (-158 °С) проходит через направляющие сопла 4,
лопатки 2 и выходит через центральную часть ротора 1 при давлении 1,5 атм с температурой 86 К (-187 °С).
Между ротором 1 и корпусом 3 сделаны лабиринтовые уплотнения 5 и 6, имеющие зазор 0,15 мм.
Лабиринтовое уплотнение 7 предусмотрено и для вала, проходящего через корпус.
Интересной, весьма оригинальной особенностью является масляный демпфер 8 для предотвращения и
смягчения вибрации ротора, возникающей при большом числе оборотов. Демпфер состоит из кольцевого
резервуара, наполненного маслом, в который опущено кольцо с укрепленным шариковым подшипником вала
турбодетандера.
Благодаря такой конструкции детандера не происходит задевания ротора о корпус, хотя зазор между
корпусом и ротором составляет всего 0,15-0,3 мм.
Турбодетандер конструкции П. Л. Капица имеет высокий термодинамический КПД порядка 80-82%.

5.

Схема турбодетандера акад. П. Л. Капицы
1 - ротор;
2 - лопатки;
3 - корпус;
4 - направляющие сопла;
5, 6 и 7 - лабиринтовые уплотнения;
8 – демпфер

6.

Воздушный (нерегулируемый) турбодетандер
1 - колесо;
2 - направляющий аппарат;
3 - корпус;
4 - диффузор;
5 - компенсатор;
6 - фильтр;
7 - вал;
8 - опорный подшипник;
9 - опорно-упорный подшипник;
10 - лабиринтное уплотнение
внешнее;
11 - лабиринтное уплотнение
внутреннее

7.

Результаты расчета параметров состояния воздуха, размеров и числа оборотов турбодетандера низкого давления
№ п/п
Название
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Степень расширения
Коэффициент условной изоэнтропийной скорости
Коэффициент условной скорости
Условная приведенная температура
Приведенная температура на выходе для идеализированного газа
Приведенная плотность на выходе
Среднее значение коэффициента сжимаемости при S0 = const
Критическая скорость
Начальная плотность воздуха
10
Отношение скоростей
11
Отношение скоростей
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Расчетный параметр
Приведенная окружная скорость колеса
Степень реактивности
Коэффициент изоэнтропийной скорости истечения газа из направляющего аппарата
Коэффициент действительной скорости истечения газа из направляющего аппарата
Приведенное давление на выходе из направляющего аппарата
Приведенная температура на выходе из направляющего аппарата
Приведенная температура на выходе из направляющего аппарата
Коэффициент возврата (проверка). Ввиду близости обоих значений пересчета не производим
Приведенная плотность воздуха на выходе из направляющего аппарата
Скорость
Относительная расчетная ширина колеса на входе
Давление воздуха на выходе из НА
Температура воздуха на выходе из НА
Плотность воздуха на выходе из НА
Скорость истечения воздуха из направляющего аппарата
Окружная скорость колеса
Диаметр рабочего колеса
Число оборотов
Расчетная ширина колеса на входе
Выходной диаметр (средний)
Отношение диаметров
Диаметр воронки колеса
Диаметр ступицы
Обозначение