РАСШИРИТЕЛЬНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2015 года по МПК F01D25/16 F01D25/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к расширительной турбине, также известной как турбодетандер, предназначенной для производства электрической и/или механической энергии.

Предпочтительно, данное изобретение относится к расширительным турбинам, используемым в устройствах для производства энергии при помощи органического цикла Ренкина (ORC) и/или цикла Калины. В данных устройствах, известных из уровня техники, вместо традиционной системы воды/пара используют рабочие текучие среды органического типа, поскольку органическая текучая среда дает возможность использовать источники тепла при относительно низких температурах, от 100°C до 300°C, а также при более высоких температурах, с большей эффективностью. В некоторых случаях используют водно-аммиачную смесь, в частности, в цикле Калины. Таким образом, устройства конверсии, основанные на использовании ORC, и/или устройства, основанные на цикле Калины, находят все более частое и широкое применение в различных областях, к примеру, в геотермальной отрасли, в утилизации промышленных отходов, на заводах по производству энергии из биомасс и концентрированной солнечной энергии, в регазификаторах и так далее.

Уровень техники

Известны различные типы детандеров/турбин для преобразования тепловой энергии в электрическую и/или механическую энергию при помощи органического цикла Ренкина (ORC) и/или цикла Калины. Среди наиболее известных типов следует упомянуть осевые детандеры и радиальные детандеры с одной или большим количеством ступеней.

В целом, турбина известного типа выполнена из неподвижного элемента, именуемого статором, и подвижной части, именуемой ротором. Роторная часть турбины состоит из вала, с которым соединены одна или более ступеней расширения рабочей текучей среды. Сборку роторной и статорной частей выполняют через механический блок, обеспечивающий практически полное отсутствие взаимных движений роторной и статорной частей, кроме вращения вокруг оси вращения, совпадающей с валом механизма.

В документе WO 2010/106570 A1 описано устройство турбины для расширения газа и/или пара, содержащей корпус, имеющий определенный канал прохождения рабочей текучей среды между впускным отверстием и выпускным отверстием, по меньшей мере один статор, вал турбины, выполненный с возможностью вращения вокруг оси и несущий по меньшей мере один ротор, внешний патрубок, фронтально выступающий из упомянутого корпуса и соосный с валом турбины. Расположенный между внешним патрубком и турбиной поддерживающий блок, который может быть извлечен по оси из патрубка в виде единого целого, обеспечивает соединение вала с ротором. В документах US 2881972, WO 2005/042924, GB 822173, DE 102008056061, WO 01/86130, US 3612628, FR 2487459, US 4285632 описаны другие турбины с извлекаемыми частями.

Раскрытие изобретения

Заявитель усмотрел необходимость усовершенствования конструкции механического блока известных расширительных турбин, для того, чтобы:

- упростить техническое обслуживание турбины и соответствующие операции сборки и разборки;

- обеспечить возможность технического обслуживания механического блока без необходимости удаления рабочей текучей среды из турбины;

- упростить производство и ограничить стоимость механического блока;

- увеличить надежность механического блока и, следовательно, турбины в целом;

- увеличить точность соединения между статорной и роторной частями турбины, получая уменьшенный люфт и, следовательно, высокую эффективность.

Заявитель обнаружил, что описанные выше задачи могут быть решены путем обеспечения турбинного вала, который может быть отделен от ротора и извлечен вместе с механическим блоком, состоящим из подшипников и уплотнений.

Более конкретно, согласно первому аспекту, данное изобретение относится к расширительной турбине, согласно пункту 1 формулы изобретения, а именно к расширительной турбине, содержащей корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для рабочей текучей среды; по меньшей мере один статор, установленный внутри корпуса; по меньшей мере один ротор, установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг соответствующей оси вращения (X-X); патрубок, заключенный в корпус; механический блок, установленный внутри патрубка; при этом упомянутый механический блок содержит втулку и вал, установленный с возможностью вращения внутри втулки: при этом упомянутый вал выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения (X-X) и соединен с ротором; причем вал соединен с ротором с возможностью снятия, и весь механический блок выполнен с возможностью извлечения из патрубка со стороны, противоположной упомянутому ротору; отличающейся тем, что ротор выполнен с возможностью перемещения вдоль осевого направления (X-X) между первой конфигурацией, в которой механический блок установлен внутри патрубка и ротор отстоит от патрубка так, что рабочая текучая среда может вращать его, и второй конфигурацией, в которой механический блок извлечен из патрубка и ротор прижат к патрубку, обеспечивая статическое уплотнение.

Предпочтительно, но не ограничиваясь этим, расширительная турбина согласно изобретению подходит для применения в механизмах, основанных на использовании органического цикла Ренкина (ORC) и/или цикла Калины, в которых рабочие температуры относительно низкие (100°C-300°C) и скорости вращения относительно умеренные (1000-4000 об/мин).

Данное изобретение дополнительно может иметь один или большее количество предпочтительных признаков, описанных далее.

Предпочтительно, турбина содержит самоцентрирующееся соединение, соединяющее вал и ротор и, более предпочтительно, самоцентрирующееся соединение представляет собой соединение зубчатого типа (например, с V-образными зубцами). Зубцы ротора и вала обеспечивают безупречную центровку ротора относительно вала, не требуя повторной балансировки при каждой сборке/разборке.

Предпочтительно, турбина содержит соединительную тягу, вставленную в осевое отверстие вала; при этом упомянутая соединительная тяга имеет конец, соединенный с упомянутым ротором, и образующий неразъемное соединение с ротором в направлении извлечения механического блока из патрубка. Соединительная тяга обеспечивает прижатие ротора к валу и их неразъемное соединение (посредством зубчатого соединения) простым и быстрым способом.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, турбина содержит сферическое соединение, соединяющее соединительную тягу и ротор для того, чтобы обеспечить безупречное соединение. Затягивание осуществляют посредством гайки после предварительного затягивания соединительной тяги таким образом, чтобы избежать воздействия вращающего момента на ротор во время выполнения операций по техническому обслуживанию.

Турбина дополнительно содержит устройства для фиксации ротора относительно патрубка, когда упомянутый ротор находится во второй конфигурации.

Таким образом, операции по разборке турбины можно выполнять без опустошения корпуса турбины. В частности, разборку выполняют путем: перемещения назад механического блока и ротора относительно патрубка до обеспечения статического уплотнения упомянутого ротора относительно патрубка; фиксации ротора относительно патрубка; извлечения механического блока из патрубка, причем ротор остается зафиксированным относительно патрубка. Таким образом, предотвращают утечку рабочей текучей среды и/или воздуха, снова поступившего во внутренний контур, что позволяет значительно ускорить проведение технического обслуживания.

Предпочтительно, механический блок дополнительно содержит уплотнительное устройство, расположенное между втулкой и валом на конце упомянутого вала, соединенном с ротором.

Предпочтительно, механический блок дополнительно содержит масляное уплотнение, расположенное между втулкой и валом на конце упомянутого вала, противоположном ротору.

Предпочтительно, механический блок содержит роликовые подшипники, поддерживающие с возможностью вращения вал во втулке.

Использование роликовых подшипников возможно благодаря относительно низким скоростям вращения и уменьшенным механическим напряжениям, присущим ORC и циклам Калины, являющимся результатом уменьшения энтальпийных изменений, с которыми обычно должны работать турбины. Роликовые подшипники отличаются отсутствием внутренних люфтов и наличием центра вращения, совпадающего при их работе с геометрическим центром самого подшипника. Таким образом, применение роликовых подшипников обеспечивает предельное уменьшение люфтов и, в результате, достижение высокой эффективности в работе.

Другие признаки и преимущества данного изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания предпочтительного, но не ограничительного, варианта осуществления расширительной турбины согласно данному изобретению.

Краткое описание чертежей

Изобретение описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, на которых:

- на фиг.1 в разрезе показан вид части расширительной турбины согласно данному изобретению;

- на фиг.2 показана часть, изображенная на фиг.1, в частично разобранном состоянии.

Осуществление изобретения

На чертежах расширительная турбина в целом согласно данному изобретению обозначена номером позиции 1.

Показанная расширительная турбина 1 относится к типу турбин, используемых в устройствах для производства механической и/или электрической энергии при помощи органического цикла Ренкина (ORC) и/или цикла Калины.

Турбина 1 содержит ротор или вращающийся диск 2 и статор 3, только схематически показанные на прилагаемых чертежах. Ротор 2 одинаково относится к турбинам осевого и/или радиального и/или смешанного потока. Ротор 2 и статор 3 расположены в корпусе, известном из уровня техники, и поэтому далее не описанном и не показанном, имеющим впускное отверстие и выпускное отверстие для рабочей текучей среды (например, предпочтительно ORC, или вода/аммиак, или даже вода/пар).

Статор 3 соединен с патрубком А. неразъемно соединенным с корпусом. На чертежах статор 3 показан приваренным к патрубку 4, но они также могут быть соединены посредством фланцевого, винтового, и другого соединения.

Внутри патрубка 4 смонтирован с возможностью снятия механический блок 5, несущий вал 6, проходящий вдоль оси вращения «X-X» и свободно вращающийся вокруг упомянутой оси «X-X» вместе с ротором 2, к которому он присоединен своим первым концом 6'. Более конкретно, механический блок 5 содержит втулку 7, соосную с патрубком 4. Втулка 7 и/или патрубок 4 дополнительно имеют пазы и/или шлицы, предотвращающие взаимное вращение между втулкой 7 и патрубком 4 вокруг оси вращения «X-X».

Во втулку 7 смонтированы шариковые подшипники 8, поддерживающие вал 6 таким образом, что он может свободно вращаться вокруг оси вращения «X-X» внутри упомянутой втулки 7. В показанном, не имеющем ограничительного характера, примере механический блок 5 содержит два расположенных рядом подшипника 8, размещенных на осевой промежуточной позиции втулки 7, и подшипник 8, расположенный на конце упомянутой втулки 7 вблизи второго конца 6” вала 6.

Механический блок 5 дополнительно содержит уплотнительное устройство, или сальник 9, расположенный между втулкой 7 и валом 6 на первом конце 6' вала 6, и масляное уплотнение 10, расположенное между втулкой 7 и валом 6 на втором конце 6” вала 6.

На первом конце 6' вала 6 сформирован набор 11 зубцов, который, когда турбина 1 собрана и готова к работе, сцепляется с набором 12 зубцов, сформированном на роторе 2. Два набора 11, 12 зубцов образуют самоцентрирующееся соединение с V-образными зубцами или его аналог.

Вал 6 имеет осевое отверстие 13, в котором расположена соединительная тяга 14. Соединительная тяга 14 имеет головку 14', выступающую из первого конца 6' вала 6 и соединенную с ротором 2. Соединительная тяга 14 введена в центральное отверстие ротора 2 и ее головка 14' имеет сферическую поверхность 15, упирающуюся в сферическую поверхность 16 ротора 2, направленную лицевой стороной от механического блока 5. Соединительная тяга 14 имеет окончание 14”, противоположное головке 14' и выступающее из второго конца 6” вала 6. Гайка 17, завинченная на окончание 14”, прижимает ротор 2 к валу 6, при этом наборы 11, 12 зубцов сцепляются друг с другом так, что ротор 2 и вал 6 вращаются, являясь неразъемно соединенными друг с другом.

На поверхности патрубка 4, направленной лицевой стороной к ротору 2, сформирована коническая поверхность 18, направленная лицевой стороной к конической поверхности 19, имеющейся на роторе 2.

Когда турбина 1 правильно собрана для работы (фиг.1), втулка 7 вставлена и зафиксирована в патрубке 4. Вал 6 является неразъемно соединенным с ротором 2 (посредством зубчатого соединения 11, 12) и ротор 2 отстоит от статора 3. В частности, две конические поверхности 18, 19 обращены лицевой стороной друг к другу, в то время как отстоят друг от друга на некоторое расстояние.

Для разборки механического блока 5 сначала удаляют винты 20 с тем, чтобы устранить осевую блокировку между втулкой 7 и патрубком 4. Далее, механический блок 5, ротор 2 и соединительную тягу 14 (все еще взаимно неразъемные вдоль осевого направления) перемещают до примыкания конической поверхности 19 ротора 2 к конической поверхности 18 патрубка 4 и обеспечения статического уплотнения, препятствующего утечке рабочей текучей среды, содержащейся в корпусе.

На этом этапе ротор 2, патрубок 4 и статор 3 фиксируют относительно друг друга посредством соответствующих устройств, здесь не показанных.

Далее, гайку 17 снимают с соединительной тяги 14, после чего становится возможным извлечь весь механический блок 5 (содержащий втулку 7, вал 6, подшипники 8, сальник 9 и масляное уплотнение 10) целиком, вытянув его из патрубка 4 со стороны, противоположной ротору 2 с одновременным извлечением соединительной тяги 14 (остающейся соединенной с ротором 2) из осевого отверстия 13 вала 6 (фиг.2).

Расширительная турбина содержит: корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для рабочей текучей среды; по меньшей мере один статор (3), установленный внутри корпуса; по меньшей мере один ротор (2), установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг соответствующей оси вращения (X-X); патрубок (4), заключенный в корпус; механический блок (5), установленный внутри патрубка (4). Механический блок (5) содержит втулку (7) и вал (6), установленный с возможностью вращения внутри втулки (7). Вал (6) соединен с ротором (2) с возможностью вращения и весь механический блок (5) выполнен с возможностью извлечения в виде единого целого из патрубка (4) со стороны, противоположной упомянутому ротору (2). Ротор (2) выполнен с возможностью перемещения вдоль осевого направления (X-X) между первой конфигурацией, в которой механический блок (5) установлен внутри патрубка (4) и ротор (2) отстоит от патрубка (4) так, что рабочая текучая среда может вращать его, и второй конфигурацией, в которой механический блок (5) извлечен из патрубка (4), и ротор (2) прижат к патрубку (4), обеспечивая статическое уплотнение (18, 19). Достигается значительное упрощение и ускорение технического обслуживания, поскольку операции по разборке турбины можно выполнять без опустошения корпуса турбины. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Расширительная турбина, содержащая:
- корпус, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для рабочей текучей среды;
- по меньшей мере один статор (3), установленный внутри корпуса;
- по меньшей мере один ротор (2), установленный внутри корпуса и выполненный с возможностью вращения вокруг соответствующей оси вращения (X-X);
- патрубок (4), заключенный в корпус;
- механический блок (5), установленный внутри патрубка (4); при этом упомянутый механический блок (5) содержит втулку (7) и вал (6), установленный с возможностью вращения внутри втулки (7); при этом упомянутый вал (6) выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения (X-X) и соединен с ротором (2);
причем вал (6) соединен с ротором (2) с возможностью снятия, и весь механический блок (5) выполнен с возможностью извлечения из патрубка (4) со стороны, противоположной упомянутому ротору (2);
отличающаяся тем, что ротор (2) выполнен с возможностью перемещения вдоль осевого направления (X-X) между первой конфигурацией, в которой механический блок (5) установлен внутри патрубка (4) и ротор (2) отстоит от патрубка (4) так, что рабочая текучая среда может вращать его, и второй конфигурацией, в которой механический блок (5) извлечен из патрубка (4) и ротор (2) прижат к патрубку (4), обеспечивая статическое уплотнение (18, 19).

2. Турбина по п.1, содержащая самоцентрирующееся соединение (11, 12), соединяющее вал (6) и ротор (2).

3. Турбина по п.2, в которой самоцентрирующееся соединение (11, 12) представляет собой соединение зубчатого типа.

4. Турбина по п.1, содержащая соединительную тягу (14), вставленную в осевое отверстие (13) вала (6); при этом упомянутая соединительная тяга (14) имеет конец (14'), соединенный с упомянутым ротором (2) и образующий неразъемное соединение с ротором (2) в направлении (A) извлечения механического блока (5) из патрубка (4).

5. Турбина по п.4, содержащая сферическое соединение (15, 16), соединяющее соединительную тягу (14) и ротор (2).

6. Турбина по п.1, дополнительно содержащая устройства для фиксации ротора (2) относительно патрубка (4), когда упомянутый ротор (2) находится во второй конфигурации.

7. Турбина по п.1, в которой механический блок (5) дополнительно содержит сальник (9), расположенный между втулкой (7) и валом (6) на конце (6') упомянутого вала (6), соединенном с ротором (2), и масляное уплотнение (10), расположенное между втулкой (7) и валом (6) на конце (6'') упомянутого вала (6), противоположном ротору (2).

8. Турбина по п.1, в которой механический блок (5) содержит роликовые подшипники (8), поддерживающие с возможностью вращения вал (6) внутри втулки (7).

9. Способ разборки расширительной турбины, содержащий следующие этапы:
- обеспечение турбины, содержащей признаки п.1;
- перемещение назад механического блока (5) и ротора (2) относительно патрубка (4) до обеспечения статического уплотнения (18, 19) упомянутого ротора (2) относительно упомянутого патрубка (4);
- фиксация ротора (2) относительно патрубка (4);
- извлечение механического блока (5) из патрубка (4), причем ротор (2) остается зафиксированным относительно патрубка (4).