РЕАКТИВНАЯ ТУРБИНА ДЛЯ МНОГОФАЗНОГО РАБОЧЕГО ТЕЛА Российский патент 1997 года по МПК F01D1/32 F01D25/32 

Изобретение относится к области турбостроения, преимущественно к турбинам, работающим на "сыром" природном газе, и может применяться в газовых и паровых турбомашинах для привода электрогенераторов, компрессоров, насосов.

Известно использование осевых турбин для привода электродвигателей, работающих на природном газе, которые устанавливаются непосредственно в скважине или в транспортном трубопроводе [1] Однако при работе на "сыром", т.е. не осушенном и не очищенном от жидких и твердых частиц, природном газе капли конденсата и твердые частицы вызывают эрозию лопаток турбины и часто приводят к их механическому разрушению.

Вследствие отмеченного недостатка указанное техническое решение не нашло промышленного применения, и на практике осевые турбины работают в составе детандерных агрегатов на газе, прошедшем первичную обработку на заводе или у потребителя на газораспределительном пункте.

Известны двухпоточные радиально-осевые турбины, содержащие радиальный сопловой аппарат с разделителем потоков и осевые лопаточные венцы, между которыми расположена камера с разделительным гребнем на роторе, при этом полость разделителя потоков сообщается с полостью камеры посредством кольцевой щели, снабженной боковыми козырьками, отогнутыми внутрь полости разделителя [2] Указанное устройство обеспечивает удаление конденсата перед рабочими венцами за счет наличия полого разделителя потоков, сообщающегося с полостью камеры.

Недостатками известного устройства является сложность его конструкции и недостаточно высокая сепарационная эффективность. Кроме того, данное устройство обеспечивает эффективную работу лишь при использовании в качестве рабочего тела влажного пара.

При работе на "сыром" газе устройство не обеспечит эффективного отделения конденсата и твердых частиц, поскольку не созданы условия для их направленной сепарации.

Также известны реактивные турбины, содержащие корпус, в котором размещен рабочий орган типа Сегнерова колеса с тангенциально установленными соплами [3] Указанная конструкция турбины при работе на двухфазном потоке обеспечивает эффективную сепарацию конденсата благодаря конструкции рабочего колеса. При этом в данном решении не предусмотрено удаление конденсата, в результате чего отсепарированный конденсат в виде капель отражается от одних лопаток турбины к другим, вызывая их эрозию. Причем в процессе их многократной рециркуляции происходит укрупнение капель и накопление их в полости рабочего колеса, сконструированного в виде полого барабана, закрытого с торцов двумя дисками.

Из известных турбин наиболее близкой к предлагаемой является реактивная турбина для двухфазного потока рабочей среды, содержащая корпус и ротор, на полом валу которого установлено рабочее колесо в виде системы криволинейных радиальных каналов, сообщающихся с полостью вала, в выходных участках которых, отогнутых в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса, установлены сопла Лаваля [4]
Однако в указанном устройстве также на конструктивном уровне не организован отвод отсепарированного конденсата, вследствие чего происходит эрозионное разрушение стенок каналов и в первую очередь сопел, установленных в их выходных участках.

В основу настоящего изобретения положена задача создания конструкции реактивной турбины, обеспечивающей при работе на природном ("сыром") газе снижение степени эрозии стенок сопел и, таким образом, повышение надежности работы турбины.

Поставленная задача решается тем, что в реактивной турбине для многофазного рабочего тела, содержащей корпус и ротор, на полом валу которого установлено, по крайней мере, одно рабочее колесо в виде диска с системой криволинейных радиальных каналов, сообщающихся с полостью вала, в выходных участках которых, отогнутых в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса установлены сопла Лаваля.

Согласно изобретению выходные участки каналов имеют сообщающиеся с ними дополнительные отводные каналы со сливными отверстиями, перекрытыми обратными клапанами, причем вход в дополнительный отводной канал расположен перед соплом Лаваля.

Целесообразно вход в дополнительный отводной канал выполнять в задней стенке основного канала.

Предпочтительно расстояние от оси основного канала до входа в дополнительный отводной канал должно быть не более 3 и не менее 1,5 приведенного диаметра основного канала.

В предпочтительном варианте:
обратный клапан может быть выполнен в виде золотникового пружинного клапана, размещенного в заглушенном конце отводного канала;
на задних стенках отводных каналов выполнены продольные канавки;
на внутренней поверхности выходных участков основных каналов установлены турбулизаторы потока.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2.

Турбина содержит корпус 1, в котором расположен ротор 2, на полом валу 3 которого установлены один или несколько дисков 4 с криволинейными радиальными каналами 5 для прохода рабочего тела к соплам 6, имеющим форму сопел Лаваля и установленных на выходных участках 7 каналов тангенциально относительно окружности дисков 4.

Каналы 5 имеют дополнительные отводные каналы 8 со сливными отверстиями 9 и золотниковыми пружинными клапанами 10 для отвода отсепарированной жидкости в сборную камеру 11. Вход 12 в дополнительный отводной канал выполнен в задней стенке основного канала перед соплом Лаваля.

Причем на задних стенках отводных каналов 8 выполнены продольные канавки 13, образующие дорожки для перемещения отсепарированной жидкости. На внутренней поверхности выходных участков 7 основных каналов установлены турбулизаторы потока 14, выполненные, например, в виде ножей или кольцевых гребешков.

Сборная камера 11 снабжена торцевыми уплотнениям 15, исключающими протечки конденсата в газовую полость турбины.

Работа турбины основана на реактивном действии выходящего из сопел 6 газового потока. Рабочее тело в виде влажного пара или "сырого" природного газа подводится под давлением через полый вал 3 в радиальные каналы 5 и выбрасывается через сопла 6, приводя ротор 2 во вращение.

Содержащийся в природном газе или влажном паре конденсат под действием центробежных сил отбрасывается на задние выпуклые стенки каналов 5 и, поступая через вход 12 в дополнительные отводные каналы 8, движется в виде пленки по дорожкам, образуемым канавками 13, в заглушенные концы отводных каналов 8.

По достижении определенного количества конденсата создается усилие, достаточное для преодоления силы прижатия пружиной золотникового клапана 10, в результате чего клапан 10 открывается и конденсат выводится через сливные отверстия 9 в сборную камеру 11.

После слива конденсата клапан 10 закрывается, и процесс накопления отсепарированного конденсата повторяется.

Аналогично происходит отделение и сброс через сливные отверстия 9 вместе с конденсатом частиц породы (песка) при наличии их в природном газе.

Очищенный газ или сухой пар направляется в сопла 6.

Экспериментально установлено, что оптимальные условия для отвода конденсата будут обеспечены при соблюдении следующего условия: расстояние от оси основного канала до входа в дополнительный отводной канал 8 должно быть не более 3 и не менее 1,5 приведенного диаметра основного канала 5.

При низком значении влажности исходного рабочего тела поток газа, направляемый в сопла может содержать определенное количество неотсепарированного и неудаленного конденсата, который будет оказывать эрозионное воздействие на сопла. Для ослабления эрозионного воздействия потока на стенки сопел на внутренней поверхности выходных участков 7 основных каналов 5 перед соплами 6 размещают ножи или кольцевые гребешки, выполняющие роль турбулизаторов потока и обеспечивающие его гомогенизацию, т.е. диспергирование до "туманного" состояния. При этом одновременно увеличивается момент количества движения струи, выходящей из сопла, т.е. достигается повышение мощности турбины.

Предлагаемая конструкция турбины за счет повышенных износостойких характеристик может найти применение на промыслах газоконденсатных месторождений в качестве турбодросселя для снижения давления с одновременным получением за счет используемого перепада давлений электроэнергии для местных нужд и внешнего потребления.

Использование: газовые и паровые турбомашины для привода электрогенераторов, компрессоров, насосов. Сущность изобретения: в реактивной турбине, содержащей корпус и ротор, на полом валу которого установлено рабочее колесо в виде диска с системой радиальных криволинейных каналов, сообщающихся с полостью вала, выходные участки каналов, отогнутые в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса, имеют установленные в них сопла Лаваля и дополнительные отводные каналы со сливными отверстиями, перекрытыми обратными клапанами, причем вход в дополнительный отводной канал расположен перед соплом Лаваля. Отсепарированный конденсат, отделившийся из рабочего потока в процессе движения по криволинейным радиальным каналам, собирается в отводных каналах и при достижении определенного количества сбрасывается через сливные отверстия в сборную камеру. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Реактивная турбина для многофазного рабочего тела, содержащая корпус и ротор, на полом валу которого установлено по крайней мере одно рабочее колесо в виде диска с системой криволинейных радиальных каналов, сообщающихся с полостью вала, в выходных участках которых, отогнутых в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса, установлены сопла Лаваля, отличающаяся тем, что выходные участки каналов имеют сообщающиеся с ними дополнительные отводные каналы со сливными отверстиями, перекрытыми клапанами, причем вход в дополнительный отводной канал расположен перед соплом Лаваля. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что вход в дополнительный отводной канал выполнен в задней стенке основного канала. 3. Турбина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что вход в дополнительный отводной канал выполнен на расстоянии от оси основного канала не более 3 и не менее 1,5 приведенного диаметра основного канала. 4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что обратный клапан выполнен в виде золотникового пружинного клапана, размещенного в заглушенном конце отводного канала. 5. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что на задних стенках отводных каналов выполнены продольные канавки. 6. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности выходных участков основных каналов размещены турбулизаторы потока.