АКТИВНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2019 года по МПК F01D1/10 F01D9/02 F01K7/32 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, предназначено для производства электроэнергии для малой распределенной энергетики в составе мобильных автономных энергетических установок, использующих в качестве рабочего тела парогазовую смесь сверх критических параметров, генерируемую методом гидротермальной деструкция жидких и твердых органических топлив при сверхкритических состояниях водной среды в однотрубных и многотрубных реакторах.

Известна (http://one_vision.jofo.me/340811.html) паровая турбина активного действия К-0,75-2,4 предприятия ЗАО "ЭНЕРГОТЕХ». Турбина представляет собой одноцилиндровый агрегат. Основными компонентами турбины являются корпус, в котором на двух подшипниках скольжения установлен ротор с неподвижно закрепленными на нем регулирующей ступенью и семью ступенями давления, состоящими из совокупности соплововых аппаратов в виде неподвижных диафрагм с сужающими дозвуковыми соплами и активных рабочих решеток. В состав турбины входят также сопловое парораспределение и паровая коробка, в которой расположены стопорный и регулирующие клапаны с индивидуальными приводами. Турбина снабжена концевыми и диафрагменными лабиринтными уплотнениями.

К недостаткам турбины К-0,75-2,4 следует отнести сложность конструкции, большие габариты и массу, обусловленные введением в конструкцию турбины: соплового парораспределения, а так же стопорного и регулирующих клапанов с их приводами. Кроме того, эта паровая турбина активного действия не может работать на парогазовой смеси со сверхкритическими параметрами, потому что имеет недостаточное количество ступеней, что бы реализовать полный теплоперепад, соответствующий этим параметрам.

Известна многоступенчатая трехцилиндровая паровая турбина К-300-240-3 (Паровые турбины сверхкритических параметров ЛМЗ/ В.И. Волчков и др. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр. 10-13) сверхкритических параметров (р₀=23,5 МПа, t₀=540°С), которая состоит из корпуса, включающего три цилиндра: цилиндр высокого давления (ЦВД), цилиндр среднего давления (ЦСД), цилиндр низкого давления (ЦНД), и ротора. В свою очередь, ротор состоит из валопровода, жестко соединенного между собой муфтами трех роторов: ротора ЦВД, ЦСД и ЦНД, на каждом из которых установлены соответственно по 12, 12 и 15 дисков рабочих решеток с венцами лопаток активного действия. Сопловые решетки у всех ступеней образованы дозвуковыми конфузорными соплами, установленными в диафрагмах, неподвижно закрепленных в корпусах цилиндров. Ротор турбины, вращающийся с оборотами 3000 об/мин, уложен в корпусе турбины на пяти опорных подшипниках скольжения, один из которых, установленный между ЦВД и ЦНД, - комбинированный опорно-упорный. В турбине используются концевые и диафрагменные уплотнения лабиринтового типа с отсосом пара из концевых камер уплотнений в охладители.

По совокупности признаков известная турбина является наиболее близкой к заявляемой и поэтому принята за прототип.

Недостатками многоступенчатой трехцилиндровой паровой турбины, являются:

- сложность конструкции, большие габариты и масса турбины, обусловленные применением в сопловом аппарате дозвуковых конфузорных сопел, имеющих ограничение по выходной скорости, не превышающей скорости звука, и как следствие ограничение по перерабатываемому теплоперепаду, что потребовало для переработки большого теплоперепада, характерного для сверхкритических параметров пара, применения большого количества активных ступеней.

Задачей изобретения является создание для мобильных (передвижных) энергетических установок малогабаритной активной паровой турбины, имеющейпростую конструкциюи малую массуи способную работать на парогазовой смеси сверхкритических параметров, полученную в результате переработки бытовых отходов.

Технический результат состоит в упрощении конструкции и уменьшении габаритов и массы турбины, достигнутый в результате переработки высокого теплоперепада, характерного для сверхкритических параметров парогазовой смеси, в ограниченном (минимальном) количестве активных ступеней турбины.

Технический результат изобретения достигается с помощью активной паровой турбины сверхкритических параметров, включающей корпус, крышки корпуса со втулками, имеющими концевые лабиринтные уплотнения; ротор, установленный в радиальный и сдвоенный радиально-упорный подшипник, и состоящий из вала, на котором закреплены рабочие колеса первой, второй и третей ступеней; сопловой аппарат первой ступени, образованный из равномерно расположенных по окружности сопел на передней крышке корпуса; закрепленные в корпусе неподвижные диафрагмы второй и третьей ступеней с кольцевыми проточками промежуточного лабиринтного уплотнения на внутреннем диаметре, а внешние диаметры представляют собой венцы, состоящие из сопел, образующие совместно с распорными втулками сопловые аппараты второй и третьей ступени, трубную разводку и паровыпускной отвод, при этом сопла, имеющиеся в сопловых аппаратах первой, второй и третей ступеней турбины представляют собой сопла Лаваля, равномерно расположенные по окружностям напротив лопаток активных рабочих решеток. Сопла Лаваля, вмонтированные в переднюю крышку турбины и равномерно расположенные по окружности напротив лопаток активной рабочей решетки первой ступени, состоят из двух частей, в основной из которых изготовлен канал профиля сопла Лаваля, а вспомогательная часть представляет собой плоскую крышку, которая при сборке с первой образует недостающую сторону канала сопла.

На фиг. 1 представлен продольный разрез активной паровой турбины сверхкритических параметров; вид А - турбины со стороны входа парогазовой смеси в турбину и разрез Б-Б - место установки сопла Лаваля в переднюю крышку турбины.

На фиг. 2 представлена диафрагма второй ступени турбины и вид А - вырез из диафрагмы профиля сопла Лаваля.

На фиг. 3 представлено сопло Лаваля, состоящее из двух частей.

На фиг. 4 представлена основная часть сопла.

На фиг. 5 представлена вспомогательная часть сопла.

На фиг. 6 представлена фотография экспериментального образца турбины в составе стендовой установки, изготовленная по чертежам, приведенным на фиг. 1-5.

Активная паровая турбина сверхкритических параметров состоит из двух основных частей: из корпуса 1 с передней крышкой 2 и задней крышкой 3, к которым прикреплены соответственно втулки 4 и 5 с концевыми лабиринтными уплотнениями на внутренних диаметрах, и из ротора (на фиг. не обозначен), содержащего вал 6, на котором посредством шпонок 7 закреплены рабочее колесо первой ступени 8, рабочее колесо второй ступени 9 и рабочее колесо третей ступени 10, по периметру которых изготовлены лопатки, образующие активные рабочие решетки первой, второй и третьей ступени паровой турбины (на фиг. не обозначено). Рабочее колесо первой ступени 8, рабочее колесо второй ступени 9 и рабочее колесо третей ступени 10 на валу 6 в осевом направлении фиксируются распорными втулками 11 и 12 и закреплены стопорным кольцом 13.

В передней крышке 2 напротив лопаток активной рабочей решетки (на фиг. не обозначено) рабочего колеса первой ступени 8 вмонтированы равномерно расположенные по окружности сопла Лаваля (на фиг. не обозначено), образующие сопловый аппарат первой ступени турбины (на фиг. не обозначено). Каждое из этих сопел Лаваля собрано из двух частей: основной 14 и вспомогательной 15 (фиг. 1, разрез Б-Б и фиг. 3). В основной части 14 (фиг. 4) изготовлен канал сопла, соответствующий профилю сопла Лаваля, а вспомогательная часть 15 (фиг. 5) представляет собой плоскую крышку, которая при сборке с основной образует недостающую сторону канала.

Для подвода парогазовой смеси к соплам первой ступени турбины с наружной стороны передней крышки 2 прикреплена посредством шпилек трубная разводка 16 (см. фиг. 1, вид А), а на задней крышке 3 размещен паровыпускной отвод 17. Совокупность расположенного по окружности ряда каналов, образованных вмонтированными в переднюю крышку 2 турбины соплами Лаваля, и следующего за ними вращающего ряда каналов, образованных активной рабочей решеткой рабочего колеса первой ступени 8, образуют первую активную ступень турбины.

Перед рабочим колесом второй ступени 9 и рабочим колесом третей ступени 10 установлены неподвижная диафрагма второй ступени 18 и неподвижная диафрагма третей ступени 19, закрепленные в корпусе 1 между передней крышкой 2 и задней крышкой 3 распорными втулками 20, 21 и 22. На периферии неподвижной диафрагмы второй ступени 18 и неподвижной диафрагмы третей ступени 19 равномерно по окружности напротив активных рабочих решеток второй и третьей ступени изготовлены профили сопла Лаваля, образующие совместно с распорными втулками 20 и 21 сопловые аппараты второй и третьей ступени.

Неподвижная диафрагма второй ступени 18 (фиг. 2) состоит из диска, закрепленного в корпусе, на внутреннем диаметре которого имеются кольцевые проточки промежуточного лабиринтного уплотнения, а один из внешних диаметров представляет собой венец, состоящий из сверхзвуковых сопел Лаваля, профиль и размеры которых унифицированы на всех рабочих ступенях турбины. Конструкция неподвижной диафрагмы третьей ступени 19 аналогична и отличается только большим количеством сопел Лаваля.

Совокупность ряда расположенных в неподвижной диафрагме второй ступени 18 и неподвижной диафрагме третей ступени 19 по окружности каналов, образованных соплами Лаваля, и следующих за ними вращающего ряда каналов, образованных активными рабочими решетками, расположенных в рабочем колесе второй ступени 9 и в рабочем колесе третей ступени 10, образуют соответственно вторую и третью активныеступени турбины.

Ротор активной паровой турбины сверхкритических параметров установлен в двух опорах, одной из которых является радиальный подшипник 23, а второй - сдвоенный радиально-упорный подшипник 24.

Активная паровая турбина сверхкритических параметров через опору 25 и посредством стоек шарикоподшипниковых узлов 26 и 27 опирается на общую раму 28.

Работа активной паровой турбины сверхкритических параметров осуществляется следующим образом. Парогазовая смесь со сверхкритическими параметрами через трубную разводку 16 (фиг. 1) подается в сопловой аппарат первой ступени, образованный из сопел Лаваля, каждое из которых состоит из двух частей: основной части 14 и вспомогательной части 15, встроенных в переднюю крышку 2 корпуса 1 турбины. При расширении парогазовой смеси в сопловых каналах теплоперепад парогазовой смеси преобразуется в кинетическую энергию, в результате чего за сопловым аппаратом первой ступени поток приобретает сверхзвуковую скорость. После соплового аппарата первой ступенипоток парогазовой смеси поступает на активную рабочую решетку первой ступени рабочего колеса первой ступени 8. При обтекании лопаток активной рабочей решетки первой ступени в результате поворота потока формируется окружное усилие, создающее вращательный момент, который через шпонку 7 передается на вал 6, где происходит превращение кинетической энергии потока в механическую энергию вращения ротора турбины. В процессе движения парогазовой смеси в межлопаточных каналах активной рабочей решетки первой ступени давление остается практически неизменным.

После первой активной ступени турбины парогазовая смесь поступает в сопловой аппарат второй ступени, образованный из сопел Лаваля, имеющихся в неподвижной диафрагме второй ступени 18, и закрепленных распорной втулкой 20, где снова происходит расширение и разгон потока парогазовой смеси до сверхзвуковой скорости, в результате чего потенциальная энергия потока преобразуется в кинетическую энергию. Ускорившийся поток парогазовой смеси попадает на лопатки активной рабочей решетки второй ступени рабочего колеса второй ступени 9, где аналогично процессу, протекающему на рабочем колесе первой ступени 8, происходит превращение кинетической энергии потока в механическую, в результате чего на валу 6 ротора происходит увеличение крутящего момента на величину, эквивалентную превращенной кинетической энергии. При прохождении через межлопаточные каналы активной рабочей решетки второй ступени 9 парогазовая смесь сохраняет давление неизменным.

В сопловом аппарате третьей ступени, образованном из сопел Лаваля, имеющихся в неподвижной диафрагме третей ступени 19 и закрепленных - распорной втулкой 21, происходит окончательное расширение потока парогазовой смеси до конечного давления. При этом в результате превращения остатка теплоперепада величина скорости потока парогазовой смеси на выходе из сопел Лаваля в третий раз достигает сверхзвуковой скорости. При дальнейшем движении в межлопаточных каналах активной рабочей решетки третьей ступени рабочего колеса третей ступени 10 происходит, аналогично механизму первой активной ступени турбины и второй активной ступени турбины, преобразование кинетической энергии потока в механическую работу на лопатках активной рабочей решетки третей ступени, которая дополнительно увеличивает крутящий момент на валу 6 ротора.

Вал 6 ротора, установленного на радиальном подшипнике 23 и сдвоенном радиально-упорном подшипнике24, передает полученный крутящий момент электрогенератору. Распорные втулки 11 и 12 и стопорное кольцо 13 предотвращают перемещение рабочего колеса первой ступени 8, рабочего колеса второй ступени 9 и рабочего колеса третей ступени 10 по валу 6 в осевом направлении.

Кольцевые проточки промежуточного лабиринтного уплотнения на внутренних диаметрах неподвижной диафрагмы второй ступени 18 и неподвижной диафрагмытретей ступени 19 предотвращают перетоки парогазовой смеси из зоны высокого давления, перед соплами Лаваля, в зону низкого давления - после сопел Лаваля. Распорные втулки 20, 21 и 22 предотвращают возможность осевого перемещения в корпусе 1 турбины неподвижной диафрагмы второй ступени 18 и неподвижной диафрагмы третей ступени 19.

После третьей ступени турбины парогазовая смесь выводится через паровыпускной отвод 17, прикрепленный к задней крышке 3, для технологических нужд или в систему теплоснабжения.

Концевые лабиринтные уплотнения на внутренних диаметрах втулки 4 передней крышки 2 и втулки 5 задней крышки 3 предотвращают утечки парогазовой смеси из корпуса турбины через зазоры между корпусом 1 и валом 6 ротора.

Использование в каждой ступени турбины сопел Лаваля, обеспечивающих на выходе сверхзвуковые скорости потока, дает возможность переработки на каждой ступени теплоперепада, в среднем, 340-360 кДж/кг, в сравнении с конфузорными дозвуковыми соплами, используемыми в прототипе, дающими переработку теплоперепада, в среднем 40-50 кДж/кг. В связи с этим, для переработки высокого полного теплоперепада, характерного для пара сверхкритических параметров, достаточно будет только трех активных ступеней турбины. Таким образом, достигается существенное сокращение количества ступеней турбины, и как следствие, уменьшение ее габаритов и массы.

За счет увеличения скорости вращения ротора турбины с 3000 об/мин у прототипа до 12000 об/мин в заявляемой турбине, позволило значительно уменьшить средние диаметры активных рабочих решеток и соответственно наружные габариты корпуса 1 турбины.

Изобретение может быть использовано в составе энергетической установки, содержащей реактор, генерирующий парогазовую смесь при переработке бытовых отходов, а также в составе ТЭЦ малой мощности в совокупности с парогенератором сверхкритических параметров.

Активная паровая турбина сверхкритических параметров, включающая корпус, крышки корпуса со втулками, имеющими концевые лабиринтные уплотнения, ротор, установленный в радиальный и сдвоенный радиально-упорный подшипник и состоящий из вала, на котором закреплены рабочие колеса первой, второй и третей ступеней, сопловой аппарат первой ступени, образованный из равномерно расположенных по окружности сопел на передней крышке корпуса, закрепленные в корпусе неподвижные диафрагмы второй и третьей ступеней с кольцевыми проточками промежуточного лабиринтного уплотнения на внутреннем диаметре, а внешние диаметры представляют собой венцы, состоящие из сопел, образующие совместно с распорными втулками сопловые аппараты второй и третьей ступени, трубную разводку и паровыпускной отвод. Сопла, имеющиеся в сопловых аппаратах первой, второй и третей ступеней турбины, представляют собой сопла Лаваля, равномерно расположенные по окружностям напротив лопаток активных рабочих решеток. Сопла Лаваля, вмонтированные в переднюю крышку турбины и равномерно расположенные по окружности напротив лопаток активной рабочей решетки первой ступени, состоят из двух частей, в основной из которых изготовлен канал профиля сопла Лаваля, а вспомогательная часть представляет собой плоскую крышку, которая при сборке с первой образует недостающую сторону канала сопла. Технический результат состоит в упрощении конструкции и уменьшении габаритов и массы турбины, достигнутый в результате переработки высокого теплоперепада, характерного для сверхкритических параметров парогазовой смеси, в ограниченном (минимальном) количестве активных ступеней турбины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Активная паровая турбина сверхкритических параметров, включающая корпус, крышки корпуса со втулками, имеющими концевые лабиринтные уплотнения, ротор, установленный в радиальный и сдвоенный радиально-упорный подшипник и состоящий из вала, на котором закреплены рабочие колеса первой, второй и третей ступеней, сопловой аппарат первой ступени, образованный из равномерно расположенных по окружности сопел на передней крышке корпуса, закрепленные в корпусе неподвижные диафрагмы второй и третьей ступеней с кольцевыми проточками промежуточного лабиринтного уплотнения на внутреннем диаметре, а внешние диаметры представляют собой венцы, состоящие из сопел, образующие совместно с распорными втулками сопловые аппараты второй и третьей ступени, трубную разводку и паровыпускной отвод, отличающаяся тем, что сопла, имеющиеся в сопловых аппаратах первой, второй и третей ступеней турбины, представляют собой сопла Лаваля, равномерно расположенные по окружностям напротив лопаток активных рабочих решеток.

2. Активная паровая турбина сверхкритических параметров по п. 1, отличающаяся тем, что сопла Лаваля, вмонтированные в переднюю крышку турбины и равномерно расположенные по окружности напротив лопаток активной рабочей решетки первой ступени, состоят из двух частей, в основной из которых изготовлен канал профиля сопла Лаваля, а вспомогательная часть представляет собой плоскую крышку, которая при сборке с первой образует недостающую сторону канала сопла.