МАЛОРАСХОДНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2008 года по МПК F01D1/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к турбиностроению.

Традиционно в качестве приводных паровых турбин электрогенераторов, насосов, вентиляторов, воздуходувок и т.д. используются малорасходные турбины, состоящие из одной или двух ступеней скорости, либо многоступенчатые турбины, состоящие из ступеней скорости и ступеней давления. Часто при большом уровне мощности проточная часть паровой турбины состоит из группы таких ступеней, где в качестве первой ступени используется ступень скорости как регулирующая ступень. Она может быть выполнена как одновенечная, так и двухвенечная (турбина Кертиса). В таких регулирующих ступенях срабатываются значительные перепады энтальпий для обеспечения пониженной температуры рабочего тела перед последующими ступенями давления. Это приводит к тому, что ступени работают не при оптимальных условиях. В таких ступенях характеристическое число u\C₀<(u\C₀)_opt, где u - окружная скорость рабочего колеса на среднем диаметре, а С₀ - изоэнтропийная скорость истечения пара из соплового аппарата.

Известна одновенечная ступень паровой турбины, состоящая из парциального соплового аппарата и рабочего колеса (Емин О.Н., Зарицкий С.П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. - М.: Машиностроение, 1975, С.9, рис.1.1).

Недостатком известной одновенечной ступени является то, что для обеспечения приемлемых высот лопаток (с целью снижения концевых потерь кинетической энергии и получения удовлетворительного КПД) в таких ступенях применяют парциальный подвод, что приводит к дополнительным парциальным потерям и к потерям энергии за счет неравномерности на входе в сопловой аппарат следующей ступени и существенно снижает внутренний КПД (экономичность) регулирующих ступеней как в составе многоступенчатых турбин, так и в случае их применения в одно- или двухступенчатом исполнении.

Известна малорасходная центростремительная парциальная турбина, включающая сопла и колесо с периферийными уплотнениями и рабочими каналами, каждое сопло которой снабжено распределительной камерой, подключенной к группе каналов, причем все камеры полностью охватывают окружность колеса, а выходной торец каждой камеры расположен в одной плоскости с выходным сечением сопла последующей камеры, при этом шаг рабочих каналов имеет величину, в 7-100 раз превышающую высоту минимального сечения канала (SU 913770, МПК: F01D 1/06, опубликовано 15.04.1985).

По совокупности признаков это известное техническое решение является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком устройства, принятого за прототип, а также причиной, препятствующий достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, является то, что для такой турбины не обоснованы оптимальные геометрические и режимные характеристики, а применение традиционных известных неоптимальных регулирующих ступеней и достаточно большого числа ступеней давления в приводных паровых турбинах снижает их экономичность, существенно повышает массогабаритные характеристики турбины, увеличивает длину ротора и самой турбины (что приводит к снижению надежности и ресурса работы) и резко повышает их стоимость.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить экономичность турбины за счет снижения числа ступеней давления вплоть до их исключения, уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость приводных малорасходных паровых турбин.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Определение из выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявленном техническом решении совокупность существенных отличительных признаков по отношению к рассматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.

Предложена малорасходная турбина, включающая сопловой аппарат и рабочее колесо с периферийными уплотнениями и рабочими каналами, при этом характеристическое число находится в пределах:

(u/С₀)_opt=0.35-0.4 - одноступенчатое исполнение,

(u/C₀)_opt=0.22-0.3 - двухступенчатое исполнение, где

u - окружная скорость на среднем диаметре,

С₀ - изоэнтропийная скорость истечения пара из соплового аппарата,

а геометрический угол выхода потока из первого соплового аппарата, обеспечивающий полный подвод пара к рабочему колесу:

α_1г=0-9 град. (для оптимальной степени реактивности),

геометрический угол входа потока в первое рабочее колесо:

β_1г=5-14 град.;

геометрический угол выхода потока из первого рабочего колеса:

β_2г-β_1г-Δβ, где

Δβ=±(0-5) град.;

кроме того, отношение геометрических характеристик:

а_m\а₁=0.95-1.1,

a_r\a₁=0.9-1.2, где

а_m, а_r, а_r - диаметры вписанных окружностей в межлопаточные каналы первого рабочего колеса;

а количество рабочих лопаток первой ступени:

Z₁=(1,2-3)D_cp/B₁, где

B₁ - ширина лопаток рабочего колеса,

D_cp - средний диаметр ступени;

где n - частота вращения ротора турбины, об/мин;

кроме того, экономическая целесообразность применения в малорасходных турбинах с заявляемой проточной частью определяется комплексом пропускной способности А:

, где

ε - степень парциальности ступени.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан продольный разрез одноступенчатой турбины, на фиг.2 - поперечный разрез.

Малорасходная турбина включает сопловой аппарат 1 и рабочее колесо 2 осевого или радиального типа с рабочими каналами 3, при этом характеристическое число находится в пределах:

(u/C₀)_opt=0.35-0.4 - одноступенчатое исполнение,

(u/C₀)_opt=0.22-0.3 - двухступенчатое исполнение, где

u - окружная скорость на среднем диаметре,

С₀ - изоэнтропийная скорость истечения пара из соплового аппарата,

а геометрический угол выхода потока из первого соплового аппарата, обеспечивающий полный подвод пара к рабочему колесу:

α_1г=0-9 град. (для оптимальной степени реактивности), геометрический угол входа потока в первое рабочее колесо:

β_1г=5-14 град.;

геометрический угол выхода потока из первого рабочего колеса:

β_2г-β_1г-Δβ, где

Δβ=±(0-5) град.;

кроме того, отношение геометрических характеристик:

а_m\а₁=0:95-1.1,

a_r\a₁=0.9-1.2, где

а_m, а_r, а₁ - диаметры вписанных окружностей в межлопаточные каналы первого рабочего колеса;

а количество рабочих лопаток первой ступени:

Z₁=(1,2-3)D_cp/B₁, где

B₁ - ширина лопаток рабочего колеса,

D_cp - средний диаметр ступени;

где n - частота вращения ротора турбины, об/мин;

кроме того, экономическая целесообразность применения в малорасходных турбинах с заявляемой проточной частью определяется комплексом пропускной способности А.

, где

ε - степень парциальности ступени.

Если А≤0,02, то целесообразно применение малорасходных турбин с заявленными выше характеристиками.

Заявляемые оптимальные геометрические и режимные характеристики подтверждаются прилагаемым актом проведения экспериментальных исследований малорасходных турбин конструкции ЛПИ. Были выполнены экспериментальные исследования на специально созданных, модельных и натурных экспериментальных установках. Были экспериментально исследованы свыше 70 сопловых и рабочих решеток и более 100 турбинных ступеней осевого и радиального типа в широком диапазоне изменения режимных и геометрических характеристик.

При работе турбины рабочее тепло из соплового аппарата 1, обеспечивающего полный подвод рабочего тепла (пара) к турбине, выходит под геометрическим углом а_1г и поступает в рабочее колесо 2, имеющее Z₁ рабочих лопаток. Угол входа потока в рабочее колесо β_1г. Затем поток проходит через рабочие каналы 3, образованные вписанными окружностями диаметром а₁ а_m а_r соответственно на входе в канал 3, в средней части и на выходе из канала 3. Ширина рабочего колеса B₁. Геометрический угол выхода потока пара из рабочего колеса 2 - β_2г.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к турбиностроению. Предложена малорасходная турбина, включающая сопловой аппарат и рабочее колесо с периферийными уплотнениями и рабочими каналами, при этом характеристическое число находится в пределах: (u/C₀)_opt=0.35-0.4 - одноступенчатое исполнение, (u/C₀)_opt=0-22-0.3 - двухступенчатое исполнение, где u - окружная скорость на среднем диаметре, С₀ - изоэнтропийная скорость истечения пара из соплового аппарата, а геометрический угол выхода потока из первого соплового аппарата, обеспечивающий полный подвод пара к рабочему колесу: a_1г=0-9 град. (для оптимальной степени реактивности), геометрический угол входа потока в первое рабочее колесо: β_1г=5-14 град.; геометрический угол выхода потока из первого рабочего колеса: β_2г=β_1г-Δ_β, где Δβ-±(0-5) град.; кроме того, отношение геометрических характеристик: a_m\a₁=0.95-1.1, a_г\a₁=0.9-1.2, где а_m, a_r, a₁ - диаметры вписанных окружностей в межлопаточные каналы первого рабочего колеса; а количество рабочих лопаток первой ступени: Z₁=(1,2-3)D_cp/B₁, где B₁ - ширина лопаток рабочего колеса, D_cp - средний диаметр ступени; где n - частота вращения ротора турбины, об/мин; кроме того, экономическая целесообразность применения в малорасходных турбинах с заявляемой проточной частью определяется комплексом пропускной способности А:

где ε - степень парциальности ступени. Данное решение позволяет повысить экономичность турбины за счет снижения числа ступеней давления вплоть до их исключения, уменьшить массогабаритные характеристики и стоимость приводных малорасходных паровых турбин. 2 ил.

Малорасходная турбина, включающая сопловой аппарат и рабочее колесо с периферийными уплотнениями и рабочими каналами, отличающаяся тем, что характеристическое число находится в пределах

(u/C₀)_opt=0,35-0,4 - одноступенчатое исполнение;

(u/C₀)_opt=0,22-0,3 - двухступенчатое исполнение,

где u - окружная скорость на среднем диаметре,

С₀ - изоэнтропийная скорость истечения пара из соплового аппарата,

а геометрический угол выхода потока из первого соплового аппарата, обеспечивающий полный подвод пара к рабочему колесу:

α_1г=0-9° - (для оптимальной степени реактивности), геометрический угол входа потока в первое рабочее колесо

β_1г=5-14°;

геометрический угол выхода потока из первого рабочего колеса

β_2г-β_1г-Δβ,

где Δβ=±(0-5)°;

кроме того, отношение геометрических характеристик

a_m\a₁=0,95-1,1,

а_r\а₁=0,9-1,2,

где а_m, a_r, a₁ - диаметры вписанных окружностей в межлопаточные каналы первого рабочего колеса;

а количество рабочих лопаток первой ступени

Z₁=(1,2-3)D_cp/B₁,

где B₁ - ширина лопаток рабочего колеса,

D_cp - средний диаметр ступени;

где n - частота вращения ротора турбины, об/мин; кроме того, экономическая целесообразность применения в малорасходных турбинах с заявляемой проточной частью определяется комплексом пропускной способности А:

где ε - степень парциальности ступени.