БЫСТРОХОДНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 1994 года по МПК F01D1/00 

Изобретение относится к энергетике и транспорту, в частности к производству паровых турбин.

Быстроходная паровая турбина выполнена по схеме радиальноосевой ступени. Для повышения окружной скорости ротора наружная часть выполнена из сверхпрочных материалов в виде тонкого листа и проволоки. Это позволяет повысить окружную скорость вращения ротора в два, два с половиной раза. Пар попадает в ротор через окна в боковых стенках и происходит его сепарация. Жидкость центробежной силой отбрасывается к периферии. За счет обогрева периферийной части ротора горячим паром происходит испарение осевшей на периферии жидкости и за счет ее расширения движение к оси вращения. При выходе пара из турбины срабатывает оставшийся теплоперепад на обычной осевой ступени. За счет сепарации пара и испарения ее в турбине достигается более высокий КПД.

Известны радиальные и радиально-осевые ступени.

Основным недостатком турбины является невысокая окружная скорость, а значит небольшая удельная мощность. Поэтому приходится применять многоступенчатые турбины, что значительно снижает КПД.

Цель изобретения - повышение удельной мощности, экономичности и надежности паровой турбины.

Это достигается тем, что для повышения окружной скорости применен бандаж из сверхпрочных материалов, который в свою очередь является и теплообменником. В одной ступени турбины срабатывается практически весь теплоперепад, происходит сепарация влаги с последующим ее испарением в периферийной части ротора за счет теплообмена через ротор и дальнейшим срабатыванием теплоперепада в ступени.

На фиг.1 показана быстроходная паровая турбина, разрез; на фиг.2 - разрез А-А (стрелками показано направление вращения ротора и движение пара); на фиг.3 - узел I на фиг.1, масштаб увеличен; на фиг.4 - узел II на фиг.3; на фиг.5 - сечение Б-Б; на фиг.6 - сечение В-В.

Быстроходная паровая турбина содержит неподвижный корпус 1 с фланцами, к которому неподвижно крепятся крышки 2 и 3 соответственно правая и левая через фланцы 9 крепления. Этот неподвижный корпус установлен на опоре 8 двигателя и крепится к основанию лапами 25 крепления двигателя. Труба 24 подвода пара высокого давления разделяет пар высокого давления на два потока и подает его к торцам двигателя. Пар по каналу 26 разводки пара сходится к центру и попадает в сопла 7, при этом обогревает разделительную перегородку 10. В полость 28 обогрева попадает пар с максимальной температурой и давлением. Через сопло 7 пар попадает в канал 27 разводки пара после сопла. Канал имеет форму расходящейся спирали и пар попадает в канал 30 подвода пара периферийный, а затем в канал 21 подвода пара к сопловой решетке. В неподвижном корпусе установлена сверхзвуковая сопловая решетка 22, в которой установлены сверхзвуковые лопатки 35. В неподвижном корпусе выполнены лабиринтные уплотнения 29. Отвод пара осуществляется через лопатки 34 спрямляющего аппарата и канал 18 отвода пара через крышку. В неподвижном корпусе установлена опора 15 подшипников. Ротор состоит из стенок 4 и 5 и лопаток 11, которые выполнены центробежным литьем из высокопрочных материалов. В этом роторе выполнены окна 23 подвода пара в ротор. Пар выводится из ротора через канал 16 отвода пара из ротора. В канале отвода пара через корпус ротора 17 установлены рабочие лопатки 33 низкого давления. Барабан ротора выполняет роль бандажа 6 и включает ленту 30 барабана, которая изготовлена из металлического стекла. Лента выполнена в виде непрерывной спирали и прокатана из нескольких тонких лент, обладающих антикоррозионными свойствами. Промежутки залиты наполнителем 31, которым является теплопроводящий материал, например медь. Для предотвращения утечки наполнителя барабан ротора бандажирован навивкой тонкой нити 32, выполненной из высокопрочного нержавеющего материала. Заделка нити осуществляется навивкой последнего слоя внутрь барабана и фиксируется упорной пластиной 36, которая изготовлена из пакета тонких пластин сверхпрочного материала и крепится к стенкам 4 и 5 ротора в зоне низких окружных скоростей. Ротор в сборе устанавливается на вал 12, который имеет вал 13 отбора мощности и установлен на подшипники 14 качения. Балансировка ротора производится съемом наполнителя 31 барабана через окна 23.

Быстроходная паровая турбина работает следующим образом. Пар высокого давления поступает по трубе 24 в полости 28, которые расположены в крышках 2 и 3. Пар проходит по каналу 26 разводки пара и попадает в сопла 7, при этом происходит обогрев разделительной перегородки 10. В соплах 7 происходит предварительный разгон пара, за счет чего снижаются его давление и температура. В полости канала 27 пар омывает оребрение, выполненное из ленты 30, и нагревает бандаж 6 ротора. Влажный пар отбрасывается с центробежной силой к перегородке 10, которая снаружи обогревается поступающим свежим паром. Происходит испарение влаги, за счет чего осуществляется промежуточный подогрев пара. Затем пар разгоняется в сверхзвуковой сопловой решетке 22 и после лопаток 35 пар движется со скоростью вращения ротора на периферии. Пар становится неподвижным относительно окон 23 и через них попадает внутрь ротора, расширяется до низких давлений и срабатывает свой теплоперепад, преобразуя его в кинетическую энергию струи. Температура его снизилась до минимальной. За счет этого в ротор вводится момент количества движения, определяемый по формуле
μ = G (r₁ C_1ω <196>r₂ C_2ω) , (1) где r₁ и r₂ - радиусы входного и выходного сечений потока;
C_1ω и C_2ω - проекции абсолютных скоростей С₁ и С₂ на направление окружной скорости ω ;
G - расход пара в единицу времени.

После этого расширения степень сухости пара понижается по формуле
X_г= ; (2)
Вся образовавшаяся влага центробежной силой отбрасывается к периферии ротора и осаживается на теплопроводном наполнителе 31. Температура сконденсировавшейся воды значительно ниже, чем у омываемой паром ленты 30. За счет большой поверхности ленты 30 и высокой теплопроводности наполнителя сконденсировавшаяся вода начинает испаряться и отнимать тепло у пара с наружной стороны ротора. За счет этого обеспечивается эффективное охлаждение ленты и проволоки, не давая им разогреваться паром до высоких температур, что сохраняет их высокие механические свойства. Интенсивное испарение воды вызывает направленный поток молекул к оси вращения ротора. Все молекулы испарившейся воды (также и те, что поступают через сопла), движущиеся к оси вращения ротора, сжимаются силой Кориолиса на лопатках 11 по ходу вращения ротора
F_к= m2() (3) где m - масса молекул пара, движущихся к оси вращения ротора;
- вектор вращения ротора, который при работе паровой турбины имеет постоянное направление и не меняет его;
- вектор скорости движущихся молекул, в данном случае к оси вращения ротора.

За счет силы Кориолиса пар сжимается на лопатках 11, при этом повышаются давление и температура. Двигаясь к оси вращения ротора, пар выделяет свою кинетическую энергию на лопатках 11, а значит и в ротор на вал 13 отбора мощности, где снимается для привода генератора. По мере приближения пара к оси вращения и его торможении о лопатки давление и температура падают, часть пара конденсируется в воду. Вода обладает значительно большей плотностью, чем пар, и центробежной силой отбрасывается к периферии. Как только вода изменяет направление движения, т.е. вектор скорости меняется на противоположный, по формуле (3) сила Кориолиса также изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, вода начинает прижиматься к противоположной стенке лопаток 11. Происходит разделение потока. Более энергичные молекулы пара вылетают к оси вращения в полость канала 16, прижимаясь к стенке лопатки 11 по ходу вращения ротора, а на противоположной стенке лопатки к периферии движется сконденсированная вода. В центральной полости между лопатками образуется область разряжения, куда подводится пар через окна 23. Скатывающаяся вода к периферии ротора попадает на наполнитель 31 и испаряется. В канале 16 пар омывает обтекатель 19 и попадает на лопатки 33. Окружная скорость движения пара в этом радиусе еще значительная и сравнимая с окружными скоростями современных паровых турбин. Скорость движущегося пара срабатывается на этих лопатках и пар попадает на лопатки 34 спрямляющего аппарата, а затем в каналы 18 и сбрасывается в конденсатор. По всему тракту движения пара он трижды сепарируется, а влага испаряется за счет промежуточного подогрева. Это обеспечивает более высокий КПД. Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5% Cr обладают высокой коррозионной стойкостью, что необходимо для работы бандажа в среде пара.

Аморфный сплав Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈ имеет G_т= 4500 МПа. Это в три раза выше, чем у существующих высокопрочных сталей, применяемых в современном турбостроении. Применение аморфных сплавов в супермаховиках позволяет достичь окружных скоростей в 2,5 раза выше, чем окружная скорость у существующих паровых турбин.

Использование: в теплоэнергетике, в области строения паровых турбин. Сущность изобретения: турбина имеет неподвижный корпус 1 с радиальным подводом свежего пара. Корпус выполнен с каналом развода пара, оканчивающимся соплом 7 разгона пара. Ротор выполнен с бандажем 6 лопаток 11, окнами 23 для подвода пара, размещенными на периферии торцевых стенок ротора, и осевыми каналами для отвода пара. В последних в зоне боковых стенок ротора размещены дополнительные лопатки. Ротор установлен в корпусе с образованием между перегородкой 10 и наружной поверхностью бандажа ротора спиралеобразного центростремительного канала. Последний сообщен с каналом корпуса соплом 7, а в зоне выхода осевых каналов ротора в корпусе выполнен канал отвода отработавшего пара. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. БЫСТРОХОДНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА, содержащая имеющий радиальный подвод свежего пара и канал отвода отработавщего пара неподвижный корпус с размещенными в нем сверхзвуковой сопловой решеткой и ротором с лопатками, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными лопатками и соплом предварительного разгона пара, корпус выполнен с перегородкой и по крайней мере одним спиралеобразным центростремительным каналом подвода пара, образованным внутренней стенкой корпуса и перегородкой, при этом сопло предварительного разгона установлено на выходе канала, ротор выполнен с бандажем лопаток, окнами для подвода пара, размещенными на периферии торцевых стенок ротора, и осевыми каналами для отвода пара, расположенными вблизи оси вращения, причем в последних в зоне боковых стенок ротора установлены дополнительные лопатки, ротор установлен в корпусе с образованием между перегородкой последнего и наружной поверхностью бандажа ротора по крайней мере одного дополнительного спиралеобразного центростремительного канала, сообщенного с каналом корпуса посредством сопла предварительного разгона, а канал отвода отработавшего пара в корпусе выполнен в зоне выхода осевых каналов ротора для отвода пара. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что бандаж ротора выполнен с теплопроводящим наполнителем и оребрением из аморфного антикоррозионного металла.