РАДИАЛЬНАЯ ТУРБОМАШИНА Российский патент 2002 года по МПК F01D1/28 

Изобретение относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в электрическую, а именно к турбостроению.

"Наряду с осевыми турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины, были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем. Принципиальная схема этой турбины заключается в следующем. На боковой поверхности дисков колес, кольцами постепенно возрастающего диаметра, располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Отсюда он течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на обоих дисках. В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных силовых лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться двумя валами. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину очень компактной и экономичной. Однако необходимость в двух генераторах, сложная конструкция и большие напряжения в лопатках ограничили применение этих турбин." (См. А. В. Щегляев "Паровые турбины", Энергия, Москва, 1976 г., стр.9).

Известна "Турбина без выходного вала", состоящая из корпуса, колес(а) турбины, магнитов, закрепленных на колесе турбины, и катушек статора. Турбина выполнена радиальной без выходного вала. Магниты располагаются на боковой поверхности колеса турбины, где отсутствуют лопатки. На боковой поверхности корпуса турбины располагаются катушки статора. Магниты закрепляются материалом, обеспечивающим надежное противодействие инерционным силам. Осуществление изобретения приводит к уменьшению веса и габаритов турбомашины (см. патент RU 2156864, F 01 D 15/10, 27.09.2000 г.).

Сочетание принципа работы "Турбины Юнгстрем" и принципа работы "Турбины без выходного вала" позволит избавиться от главных недостатков "Турбины Юнгстрем" и позволит полностью использовать преимущество колес, вращающихся во встречных направлениях.

Поставленная задача - увеличение эффективности радиальных турбомашин с колесами встречного вращения.

Для этого используется радиальная турбомашина, состоящая из радиальной турбины с колесами встречного вращения и генератора, в котором магниты закреплены на колесах, на стороне, где отсутствуют лопатки, а катушки статора на боковой поверхности корпуса турбины. При этом рабочее вещество к колесам подается через полость(ти) в статоре, на котором вращаются колеса турбины, в месте подвода рабочего пара к колесам, на статоре имеются направляющие лопатки, полость, по которой подводится пар, отделена от поверхности, на которой вращаются колеса, теплоизоляцией, пар к направляющим лопаткам приходит с одной стороны статора или с обеих. Статор и колеса турбины имеют между собой лабиринтное уплотнение, препятствующее проникновению рабочего вещества из зоны высокого давления к подшипниковому узлу. Величина лопаток колес может изменяться по высоте от первой ступени до последней или ступенчато, или плавно, по наклонной прямой, или по какой-то кривой. В турбомашине используется принудительная система смазки подшипников, которая одновременно является и системой охлаждения подшипников, система состоит из насоса и масляного радиатора, трубопроводов, подводящего и отводящего штуцеров, системы отверстий в крышке или корпусе турбины, отверстия(тий) в проставочной втулке и канавок в статоре, для подвода и отвода смазки, проставочного кольца с отверстием(ями) в верхней части, через которые смазка подается на подшипник(и), и отверстием(ями) в нижней части, где смазка забирается. Колеса турбины, в районе от подшипников до крепления магнитов, со стороны, где отсутствуют лопатки, имеют теплоизоляцию. Катушки статора закрыты кожухом, по которому прогоняется охлаждающее вещество. При необходимости, когда статор может не выдержать разрывного усилия от давления рабочего вещества, используется стяжное устройство, состоящее из щеки с отверстиями для прохода рабочего вещества, на каждом торце статора, через который подводится пар, и стягивающего болта или шпильки с гайками. Подводящие патрубки и корпус турбомашины, до кожуха охлаждения катушек статора, теплоизолированы.

Предложенная радиальная турбомашина позволяет избавиться от главного недостатка "Турбины Юнгстрем" - от выходных валов, упрощает подачу рабочего пара к первой ступени, вместо сложного устройства подвода пара через отверстия во вращающихся колесах, пар подводится по внутренней полости статора и через направляющие лопатки подается на первую ступень. Генераторы являются частью самой турбомашины, магниты генератора находятся на колесах турбины в зоне отработавшего пара, температура которого 60-90^oС, т.е. невысокая, катушки находятся на боковой поверхности корпуса турбины, где их легко можно закрыть коржухом и охладить охлаждающим веществом.

На фиг.1 показан общий вид "Радиальной турбомашины" и вид по стрелке А.

На фиг.2 показан разрез по Б-Б.

На фиг.3 показаны варианты изменения высоты лопаток и разрез по В-В.

На фиг.4 показаны статор, подшипниковый узел и система смазки, в увеличенном виде.

Радиальная турбомашина состоит из корпуса 1, статора 2, колеса 3, вращающегося в одну сторону, колеса 4, вращающегося в другую сторону, магнитов 5, катушек статора 6, ступицы колеса 7, подшипников 8, крышки подшипника(ов) 9, распорного кольца 10, кольца 11 с отверстиями для подвода и отвода смазки, крышки корпуса 12 с системой отверстий для прохода смазки, штуцера 13, подвода смазки, штуцера 14 для отвода смазки, проставочной втулки 15 с отверстием(ями) для прохода смазки, прижимной гайки 16, патрубка(ов) 17, подводящего(их) рабочий пар, кожухов 18 охлаждения катушек статора, теплоизоляции 19, при необходимости, щек(и) 20, с отверстиями для прохода пара, стяжного болта или шпильки 21 с гайками 22, теплоизоляции 23.

Работает радиальная турбомашина следующим образом. Рабочий пар поступает по патрубку 17 в статор 2, с одной или с обеих сторон, проходя через направляющие лопатки статора 2, рабочий пар, под определенным углом, попадает на лопатки первой ступени колеса 3, где отдает часть своей энергии, заставляя вращаться колесо 3, с лопаток первой ступени колеса 3, рабочий пар, уже изменивший направление, попадает на лопатки колеса 4, второй ступени турбины, колесо 4 при этом вращается в сторону, противоположную вращению колеса 3, пар, отдавая часть энергии колесу 4, снова меняет направление и попадает на лопатки следующей ступени колеса 3 и т. д. до последней ступени колеса 4, после которой уже отработавший пар поступает в конденсатор. При этом, лабиринтное уплотнение между ступицей 7 и статором 2 не позволяет рабочему веществу из зоны высокого давления попадать в подшипниковый узел. Теплоизоляция 19 уменьшает проникновение тепла к подшипникам 8. Смазка в турбину поступает через трубопроводы, штуцер 13, систему отверстий в крышке 12, отверстие(ия) в проставочной втулке 15, канавку(ки) в статоре 2 и через отверстия в кольце 11 подается к подшипнику(кам) 8, который(е) смазывается(ются) и охлаждается(ются) этой смазкой, после чего смазка собирается в нижней части подшипника 8, где через отверстие(ия) в кольце 11 смазка забирается и также по канавке(ам) в статоре 2, отверстие(ия) во втулке 15, систему отверстий в крышке 12, штуцер 14 и трубопроводы поступает к насосу (на чертеже условно не показан), после насоса поступает в систему охлаждения, а после охлаждения снова в турбину, и т.д. В кожух 18 подается охлаждающее вещество, например, окружающий воздух, который, проходя по кожуху 18, охлаждает катушки 6 генератора. Стяжное устройство, состоящее из щек(и) 20 и болта или шпильки 21, с гайками 22, сдерживают разрывное усилие, возникающее от давления рабочего вещества. Теплоизоляция 23 уменьшает потери тепла в окружающую среду.

В результате радиальная турбомашина вырабатывает электроэнергию, не передавая энергию через выходные валы, что значительно упрощает устройство турбомашины и уменьшает ее вес и габариты.

Радиальная турбомашина предназначена для преобразования тепловой энергии в электрическую. Радиальная турбина содержит колеса встречного вращения и генератор, магниты которого закреплены на колесах турбины, катушки статора - на корпусе. Пар к колесам подается по статору, на котором вращаются колеса, и через направляющие лопатки статора на первую ступень. Полость высокого давления отделена от подшипникового узла лабиринтным уплотнением. Высота лопаток колес турбины может быть различной и изменяться от первой до последней ступени или ступенчато, или плавно по наклонной прямой или по кривой. Система смазки подшипников принудительная и является системой их охлаждения. Катушки статора закрыты кожухом охлаждения. Имеется стяжное устройство для восприятия разрывного усилия от высокого давления. Такое выполнение радиальной турбомашины с колесами встречного вращения позволит увеличить ее эффективность. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Радиальная турбомашина, состоящая из радиальной турбины с колесами встречного вращения и генератора, магниты ротора которого расположены на колесах турбины, а катушки статора - на корпусе, отличающаяся тем, что рабочее вещество к колесам подается через полость(ти) в статоре, на котором вращаются колеса турбины, на статоре там, где подводится рабочее вещество к колесам, имеются направляющие лопатки, полость, по которой подводится пар, отделена от поверхности, на которой вращаются колеса, теплоизоляцией. 2. Радиальная турбомашина по п. 1, отличающаяся тем, что статор и колеса имеют лабиринтное уплотнение, препятствующее проникновению рабочего вещества из зоны высокого давления к подшипниковому узлу. 3. Радиальная турбомашина по п. 2, отличающаяся тем, что величина лопаток колес может быть разной по высоте от первой ступени до последней, эта разница по высоте может быть выполнена или ступенчато, или плавно по наклонной прямой или по кривой. 4. Радиальная турбомашина по п. 3, отличающаяся тем, что в турбине используется система принудительной смазки подшипников, которая одновременно является и системой охлаждения подшипников, система состоит из насоса, масляного радиатора, трубопроводов, подводящего и отводящего штуцеров, системы отверстий в крышке или в корпусе турбины, отверстий в проставочной втулке и канавок в статоре для подвода и отвода смазки, проставочного кольца с отверстием(ями) в верхней части, через которое(ые) смазка подается на подшипник(ки), и отверстием(ями) в нижней части, где смазка забирается. 5. Радиальная турбомашина по п. 4, отличающаяся тем, что катушки статора генератора закрыты кожухом, по которому прогоняется охлаждающее вещество. 6. Радиальная турбомашина по п. 5, отличающаяся тем, что при необходимости, когда статор может не выдержать разрывного усилия от давления рабочего вещества, используется стяжное устройство, состоящее из щек(и) с отверстиями для прохода рабочего вещества на торце статора, через который подводится пар, и стягивающего болта или шпильки с гайками.