Паровая турбина Российский патент 2017 года по МПК F01D1/12 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к паровым турбинам малой мощности.

Известна радиальная многовенцовая турбина внутреннего горения (авторское свидетельство SU №29681, МПК7 F01D 1/12, опубликовано 31.03.1933), содержащая корпус, закрепленный на валу диск с рабочими лопатками, образующими венцы и установленными перпендикулярно плоскости диска с обеих его сторон, аппараты для изменения направления движения рабочего тела, сопла для подвода рабочего тела, выходные патрубки, воздушный компрессор, камеры горения.

Недостатками этой турбины являются:

- низкий коэффициент полезного действия, т.к. имеют место большие потери в камерах горения через уплотнения, неполное сгорание топлива;

- небольшой срок эксплуатации из-за несовершенных камер горения;

- пожароопасность, т.к. работает на горючем топливе;

- сложность в изготовлении и в эксплуатации;

- невозможность срабатывания большого теплоперепада.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой турбине является паровая противодавленческая многовенцовая турбина (патент РФ №2312992, МПК F01D 1/12, опубликован 20.12.2007), содержащая корпус, вал, установленный на подшипниках, закрепленный на валу диск с активными рабочими лопатками, установленными перпендикулярно плоскости диска с обеих его сторон и образующими венцы, аппараты (короба) для изменения направления движения рабочего тела, установленные с обеих сторон по всей окружности диска сверху над активными рабочими лопатками диска и снизу под ними, две диафрагмы, сопла для подвода рабочего тела и выходные патрубки, причем в одной половине окружности венцов рабочих лопаток сопла для подвода рабочего тела расположены сверху рабочих лопаток, а выходные патрубки снизу, во второй половинеокружности венцов рабочих лопаток сопла для подвода рабочего тела расположены снизу рабочих лопаток, а выходные патрубки сверху, корпус выполнен с двумя крышками, а между корпусом и валом размещен блок уплотнений.

Изобретение позволило повысить коэффициент полезного действия и мощность турбины.

Однако известная турбина имеет ограничение по мощности - не более 250 кВт и очень низкую экономичность: на выработку 250 кВт требуется 8 т паров с параметрами Р₀ 15 кг/см², t₀ 340°С (Р_к 4 кг/см²). В этой турбине нельзя сработать большой теплоперепад и увеличить обороты, т.к. потребуется увеличение диаметра диска, что повлечет за собой сильную нагруженность на изгиб рабочих лопаток под действием центробежных сил из-за расположения рабочих лопаток. Движение рабочего тела связано с большими потерями мощности на «выколачивание» встречно-движущегося рабочего тела в активных лопатках.

Задачей изобретения является создание малогабаритной экономичной большей мощности и коэффициента полезного действия паровой турбины.

Поставленная задача достигается за счет того, что в паровой турбине, содержащей корпус, закрепленный на валу диск с рабочими лопатками, образующими венцы, короба для изменения направления движения рабочего тела, установленные над рабочими лопатками по всей окружности диска, две диафрагмы, устройства для подвода и отвода рабочего тела и блок уплотнений, размещенный между корпусом и валом, корпус выполнен с горизонтальным разъемом, диск выполнен с реактивными рабочими лопатками, установленными в один ряд перпендикулярно цилиндрической поверхности диска, первая диафрагма установлена перед реактивными рабочими лопатками и содержит направляющие лопатки и уплотнения, образующие входные окна, а вторая диафрагма установлена после реактивных рабочих лопаток и содержит уплотнения, которые образуют выходные окна, короба для изменения направления движения рабочего тела выполнены поворотными и установлены над реактивными рабочими лопатками на уплотнениях, образующих входное и выходное окна, охватывая входное и выходное окна, а блок уплотнения состоит из полнозапорных уплотнений, при этом корпус может быть выполнен из листовой стали методом сварки.

Заявляемая конструкция турбины иллюстрируется чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - разрез паровой турбины,

на фиг. 2 - движение рабочего тела.

Предлагаемая паровая турбина (фиг. 1) содержит корпус 1, выполненный из листовой стали методом сварки и имеющий горизонтальный разъем, в котором расположен вал 2 с закрепленным на нем диском 3 с реактивными рабочими лопатками 4, установленными в один ряд перпендикулярно цилиндрической поверхности диска 3 и образующими венцы.

Перед реактивными рабочими лопатками 4 диска 3 установлена диафрагма 5 (фиг. 2) с направляющими лопатками 6 и уплотнениями 7, образующими входные окна 8. Вторая диафрагма 9 установлена после реактивных рабочих лопаток 4 и содержит уплотнения 10, которые образуют выходные окна 11. Поворотные короба 12 для изменения направления движения рабочего тела выполнены поворотными и установлены по всей окружности диска 3 над рабочими лопатками 4 на уплотнениях 7 и 10, образующих входное 8 и выходное 11 окна, охватывая входное 8 и выходное 11 окна. Группа направляющих лопаток 6, группа реактивных рабочих лопаток 4 и короб 12 образуют ступень. Ступени расположены по всей окружности диска 3. Подвод рабочего тела в турбину осуществляют через входной патрубок 13, а отвод - через выходные патрубки (на фиг. 1 не показан). Блок уплотнения 14, размещенный между корпусом 1 и валом 2, выполнен из полнозапорных уплотнений. Вал 2 установлен на подшипниках качения 15 и соединен с технологическим оборудованием (не показан) посредством полумуфты 16.

Паровая турбина работает следующим образом. Рабочее тело (пар) с рабочими параметрами через входной патрубок 13, соединенный с входным окном 8 первой ступени, поступает на группу направляющих лопаток 6, после прохождения которой рабочее тело поступает на группу реактивных рабочих лопаток 4 под расчетным углом, где отдает часть кинетической энергии, которая преобразуется в механическую энергию вращения диска 3 турбины, установленного на валу 2, и через полумуфту 16 вращает соединенное с ней технологическое оборудование.

Затем рабочее тело выходит из реактивных рабочих лопаток 4 в выходное окно 11 первой ступени, соединенное с коробом 12, которая обеспечивает односторонний подвод рабочего тела к входному окну 8 второй ступени, и вновь поступает под расчетным углом на группу реактивных рабочих лопаток 4, где снова отдает часть энергии группе реактивных рабочих лопаток 4. Рабочее тело выходит через выходное окно 11 второй ступени по второму коробу 12 к входному окну 8 следующей третьей ступени. Таким образом, рабочее тело проходит последовательно по всем ступеням, расположенным по всей окружности диска 3, вследствие чего обеспечивается срабатывание практически всего теплоперепада рабочего тела (до 0,03 кг/см²) и вся энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию вращения диска 3 турбины. Это значительно повышает коэффициент полезного действия паровой турбины.

Количество повторных ступеней рабочего тела определяется конструктивными и технологическими параметрами турбины. Отработанное рабочее тело выходит через выходные патрубки (не показаны) в направлении, противоположном входному патрубку 13.

Далее пар из турбины идет в вакуумный конденсатор или теплообменник.

Предлагаемая однодисковая одновенечная с реактивными рабочими лопатками конструкция турбины обеспечивает малогабаритность и малую металлоемкость турбины, а также срабатывание практически всего теплоперепада рабочего тела (до 0,03 кг/см²), что значительно повышает коэффициент полезного действия паровой турбины.

Турбина имеет больший (по сравнению с прототипом) диапазон по оборотам, т.к. она нечувствительна к изменениям параметров пара за счет использования реактивных лопаток вместо активных.

Введение в конструкцию турбины двух диафрагм, одна из которых установлена перед реактивными рабочими лопатками и содержит направляющие лопатки и уплотнения, образующие входные окна, а вторая диафрагма установлена после реактивных рабочих лопаток и содержит уплотнения, которые образуют выходные окна, и использование поворотных коробов для изменения направления движения рабочего тела, которые установлены над реактивными рабочими лопатками на уплотнениях, образующих входное и выходное окна, охватывая входное и выходное окна, обеспечило односторонний подвод рабочего тела с постоянной скоростью к направляющим лопаткам в каждой ступени и устранение «выколачивания» встречно-движущегося рабочего тела в активных лопатках, что способствовало снижению потерь мощности и повышению коэффициента полезного действия турбины.

Выполнение блока уплотнений из полнозапорных уплотнений привело к резкому снижению утечек рабочего тела и повышению коэффициента полезного действия турбины.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к паровым турбинам малой мощности. Предложенная паровая турбина содержит корпус с горизонтальным разъемом, закрепленный на валу диск с реактивными рабочими лопатками, установленными в один ряд перпендикулярно цилиндрической поверхности диска и образующими венцы, две диафрагмы, одна из которых установлена перед реактивными рабочими лопатками и содержит направляющие лопатки и уплотнения, образующие входные окна, а вторая диафрагма установлена после реактивных рабочих лопаток и содержит уплотнения, которые образуют выходные окна, поворотные короба для изменения направления движения рабочего тела, установленные по всей окружности диска над реактивными рабочими лопатками на уплотнениях, образующих входное и выходное окна, охватывая входное и выходное окна, блок уплотнений, размещенный между корпусом и валом и состоящий из полнозапорных уплотнений и устройства для подвода и отвода рабочего тела. Изобретение обеспечивает малогабаритность и малую металлоемкость турбины, а также срабатывание практически всего теплоперепада рабочего тела (до 0,03 кг/см²), способствует снижению потерь мощности, резкому снижению утечек рабочего тела, что значительно повышает коэффициент полезного действия паровой турбины. Турбина имеет больший диапазон по оборотам, т.к. она нечувствительна к изменениям параметров пара. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Паровая турбина, содержащая корпус, закрепленный на валу диск с рабочими лопатками, образующими венцы, короба для изменения направления движения рабочего тела, установленные над рабочими лопатками по всей окружности диска, две диафрагмы, устройства для подвода и отвода рабочего тела и блок уплотнений, размещенный между корпусом и валом, отличающаяся тем, что корпус выполнен с горизонтальным разъемом, диск выполнен с реактивными рабочими лопатками, установленными в один ряд перпендикулярно цилиндрической поверхности диска, первая диафрагма установлена перед реактивными рабочими лопатками и содержит направляющие лопатки и уплотнения, образующие входные окна, а вторая диафрагма установлена после реактивных рабочих лопаток и содержит уплотнения, которые образуют выходные окна, короба для изменения направления движения рабочего тела выполнены поворотными и установлены над реактивными рабочими лопатками на уплотнениях, образующих входное и выходное окна, охватывая входное и выходное окна.

2. Паровая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что блок уплотнения состоит из полнозапорных уплотнений.

3. Паровая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что корпус выполнен из листовой стали методом сварки.