ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2022 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к струйно-реактивным турбинам и может быть использовано в качестве силового привода электрогенератора, компрессора холодильной установки, насоса.

Известно решение RU 2599454 С2, Свободная силовая радиальная турбина с цилиндрическим ротором", МПК F01D 1/32, содержащее цилиндрический ротор с разгрузочной полостью. Вдоль продольной оси турбины на цилиндрическом роторе размещены рабочие щелевые прорези, суммарная площадь которых не менее площади соплового отверстия турбокомпрессора, и выполненные под углом 45-60° к их радиальным линиям. Со стороны соединительной муфты, прикрепленной к турбокомпрессору, имеется лабиринтное уплотнение. Цилиндрический ротор размещен на подшипниковых опорах в ступице, прикрепленной к кожуху с уплотнительным фланцем, который прикреплен к соединительной муфте.

Недостатком этого технического решения является необходимость проведения ремонтных работ по восстановлению/замене элементов уплотнений газового тракта после их частичного износа или малой деформации по причине того, что элементы уплотнений не имеют возможность сохранять работоспособность при частичном износе или малой деформации, сложная конструкция турбины с высокой трудоемкостью изготовления вследствие наличия лабиринтного уплотнения, которое не способно обеспечить полную герметичность так как при больших окружных скоростях ротора происходит выброс рабочего тела из зазора. (RU 2599454 С2, http://new.fips.ru).

Известно решение RU 2217596 С1 „Турбина", МПК F01D 1/28, F01D 1/32 содержащее сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения. На трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами. Оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости проходящей через оси пары патрубков и ось трубы. В стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия. Турбина также содержит оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, и охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки и со штуцером для выхода рабочего тела. Оболочка выполнена в виде цилиндрического барабана. Цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором. На цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса. Оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы. В стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия. Турбина снабжена вторым корпусом с расположенными в нем валами сегнерова колеса и барабана и размещенными на них шестернями и выходящим из второго корпуса валом отбора мощности, установленным с возможностью вращения, с размещенными на нем шестернями, кинематически связанными с шестернями валов сегнерова колеса и барабана и обеспечивающими встречное вращение валов сегнерова колеса и барабана.

Недостатком этого технического решения является сложная конструкция турбины с высокой трудоемкостью изготовления вследствие наличия лабиринтных уплотнений, которые не способны обеспечить полную герметичность так как при больших окружных скоростях сегнерова колеса происходит выброс рабочего тела из зазора, необходимость проведения ремонтных работ по восстановлению/замене лабиринтных уплотнений газового тракта после их частичного износа или малой деформации по причине того, что элементы уплотнений не имеют возможность сохранять работоспособность при частичном износе или малой деформации, газовый тракт турбины имеет большое гидравлическое сопротивление в месте поступления рабочего тела из трубы в патрубки вследствие прямого угла поворота газового тракта. (RU 2217596 С1, http://new.fips.ru).

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является решение RU 2614946 С2, Струйно-реактивная турбина", МПК F01D 1/32, содержащее ротор, выполненный в виде вала с рабочим колесом, и уплотнительное газодинамическое подводящее устройство. Вал имеет осевой канал с торцевым входом в валу. Вал установлен в опорах (например, подшипниках качения или скольжения) и имеет ведущую шестерню для передачи крутящего момента на исполнительный орган. Рабочее колесо на валу выполнено в виде сегнерова колеса с консольно закрепленными на валу радиальными патрубками, каждый из которых снабжен на периферии (на свободном конце) тангенциально направленным тяговым соплом. Тяговое сопло посредством полости патрубка и осевого канала сообщено с торцевым входом в осевой канал вала. Уплотнительное газодинамическое подводящее устройство содержит подводящее сопло, а также дополнительно может содержать нижеследующие элементы: заходной участок, сужающийся по потоку до минимального сечения, расположенный в осевом канале вала за торцевым входом, расширяющийся диффузорный участок, расположенный за заходным участком. Причем эти участки выполнены в виде единой втулки, вставляемой в осевой канал вала. Подводящее сопло расположено по оси вала перед торцевым входом с зазором между срезом подводящего сопла и торцевым входом в осевой канал вала. Подводящее сопло снабжено аксиально расположенным в его корпусе центральным телом, выходная часть которого образована конической поверхностью. Центральное тело выполнено подвижным в осевом направлении. Газовый тракт подводящего сопла образован между поверхностью центрального тела и внутренней поверхностью корпуса (обечайки) и состоит из сужающейся по потоку дозвуковой части и расширяющейся по потоку до выходного сечения среза корпуса сверхзвуковой части.

Недостатком этого технического решения является сложная конструкция турбины с высокой трудоемкостью изготовления и ремонтного обслуживания вследствие наличия уплотнительного газодинамического подводящего устройства сложной формы поперечного сечения, газовый тракт турбины имеет большое гидравлическое сопротивление в месте поступления рабочего тела в патрубки рабочего колеса вследствие прямого угла поворота газового тракта. (RU 2614946 С2, http://new.fips.ru).

Задача, на которую направлено заявленное решение, это разработка паровой турбины простой и герметичной конструкции с низкой трудоемкостью изготовления и ремонтного обслуживания, не требующей проведения ремонтных работ по восстановлению/замене элементов уплотнения газового тракта в случае их частичного износа или малой деформации, способствующей снижению гидравлического сопротивления газового тракта в месте поступления рабочего тела во внутренний рабочий объем лопатки.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается за счет того, что паровая турбина имеет уплотнительное подводящее устройство (2) фиг. 2, содержащее на своей торцевой поверхности кольцевую канавку (2.3), в которой расположены пружинные тарельчатые шайбы (2.4), шайба (2.5), сальниковая набивка (2.6). Пружинные тарельчатые шайбы (2.4) оказывают прижимное усилие через шайбу (2.5) на сальниковую набивку (2.6), прижимая ее к торцевой поверхности выступающей цилиндрической части (1.8) крышки (1.7) втулки (1.2) ротора (1), образуя герметичное уплотнение. Пружинные тарельчатые шайбы (2.4) имеют рабочий ход, что позволяет оказывать прижимное усилие на сальниковую набивку (2.6) после изменения ее геометрических параметров вследствие частичного износа или малой деформации, поддерживая герметичность уплотнения и исключая необходимость проведения ремонтных работ по восстановлению/замене элементов уплотнения газового тракта. Держатель (1.1) фиг. 5 ротора (1) паровой турбины в центральной части имеет втулку (1.2), которая является частью газового тракта, по которому движется рабочее тело взаимодействуя с рассекателем конусовидной формы (1.4), расположенным во внутреннем пространстве втулки (1.2), а затем поступает в рабочий объем лопатки (1.5). Рассекатель (1.4) снижает гидравлическое сопротивление газового тракта турбины за счет образования поворота газового тракта с закруглением, а также уменьшает турбулентность потока рабочего тела, направляя его во внутренний рабочий объем лопатки (1.5).

Паровая турбина включает ротор (1) фиг. 4 и уплотнительное подводящее устройство (2) фиг. 2.

Ротор (1) фиг. 4, 5 имеет держатель (1.1), выполненный в виде диска, в центре которого закреплена втулка (1.2). Втулка (1.2) фиг. 5 на боковой поверхности имеет, как минимум, одно сквозное отверстие (1.3). Внутри втулки (1.2) расположен рассекатель (1.4) потока, имеющий конусовидную форму. Рассекатель (1.4) снижает гидравлическое сопротивление газового тракта и уменьшает турбулентность потока рабочего тела, направляя его во внутренний рабочий объем лопатки (1.5). На держателе (1.1) фиг. 4 закреплена, как минимум, одна спиралеобразная лопатка (1.5), состоящая из двух герметично соединенных продольных спиралеобразных частей. Одна из двух частей лопатки (1.5) или обе части имеют паз (1.6) по всей длине, который образует внутренний рабочий объем лопатки (1.5). Один конец, как минимум, одной лопатки (1.5), сопряжен с боковой поверхностью втулки (1.2), сквозное отверстие (1.3) которой расположено напротив паза (1.6) лопатки (1.5) фиг. 5. Такое исполнение позволяет потоку рабочего тела поступать во внутренний рабочий объем лопатки (1.5) после его разделения рассекателем (1.4). Лопатка (1.5) фиг. 4 имеет длину большую значения радиуса держателя (1.1). Свободный конец лопатки (1.5) выходит за границы держателя (1.1). Втулка (1.2) фиг. 5 имеет крышку (1.7) с выступающей цилиндрической частью (1.8), расположенной в центре крышки (1.7) и имеющей сквозное осевое отверстие для прохода потока рабочего тела во внутренний объем втулки (1.2). Сторона держателя (1.1) обратная стороне, на которой расположена, как минимум, одна лопатка (1.5), в центре имеет посадочное место для установки держателя (1.1) на вал (3.1). Вал (3.1) фиг. 1 установлен в опорах (3.2), например, в подшипниках качения или скольжения расположенных в ступице (3) и соединен с потребителем.

Уплотнительное подводящее устройство (2) расположено соосно с выступающей цилиндрической частью (1.8) фиг. 2 крышки (1.7) втулки (1.2), имеющей сквозное осевое отверстие.

Уплотнительное подводящее устройство (2) фиг. 2 содержит корпус (2.1) с фланцем (2.2) для фиксации уплотнительного устройства (2) на корпусе (4) фиг. 1 турбины. На торце корпуса (2.1) фиг. 2 уплотнительное устройство (2) имеет кольцевую канавку (2.3), в которой расположены пружинные тарельчатые шайбы (2.4), шайба (2.5), сальниковая набивка (2.6). В частном случае исполнения в кольцевой канавке (2.3) фиг. 3 расположены сальниковая набивка (2.6), шайба (2.5), пружинные тарельчатые шайбы (2.4) и цилиндрический выступ (1.8) крышки (1.7) втулки (1.2). Пружинные тарельчатые шайбы (2.4) фиг. 2 оказывают прижимное усилие через шайбу (2.5) на сальниковую набивку (2.6), прижимая ее к торцевой поверхности выступающей цилиндрической части (1.8) крышки (1.7) втулки (1.2), образуя герметичное уплотнение. Шайба (2.5) предохраняет поверхность сальниковой набивки (2.6) от повреждения, создает плоскую опорную поверхность для пружинных тарельчатых шайб (2.4) и увеличивает площадь прижима сальниковой набивки (2.6). Пружинные тарельчатые шайбы (2.4) имеют рабочий ход, что позволяет оказывать прижимное усилие на сальниковую набивку (2.6) после изменения ее геометрических параметров вследствие частичного износа или малой деформации. Корпус (2.1) фиг. 2 уплотнительного устройства (2) имеет продольный сквозной осевой канал (2.7), выполненный по всей длине корпуса (2.1).

Технический результат заключается в создании паровой турбины простой и герметичной конструкции с низкой трудоемкостью изготовления и ремонтного обслуживания, нетребующей проведения ремонтных работ по восстановлению/замене элементов уплотнения газового тракта в случае их частичного износа или малой деформации, способствующей снижению гидравлического сопротивления газового тракта в месте поступления рабочего тела во внутренний рабочий объем лопатки.

Краткое описание чертежей:

на фиг. 1 - схематичное изображение паровой турбины. Продольный разрез;

на фиг. 2 - схематичное изображение уплотнительного подводящего устройства. Продольный разрез;

на фиг. 3 - схематичное изображение уплотнительного подводящего устройства в частном случае исполнения. Продольный разрез;

на фиг. 4 - схематичное изображение ротора паровой турбины. Вид спереди;

на фиг. 5 - схематичное изображение ротора паровой турбины. Продольный разрез;

на фиг. 6 - схематичное изображение лопатки ротора паровой турбины. Поперечный разрез;

на фиг. 7 - схематичное изображение одной из двух продольных спиралеобразных частей лопатки ротора паровой турбины с пазом. Вид сверху;

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - ротор;

1.1 - держатель;

1.2 - втулка;

1.3 - отверстие;

1.4 - рассекатель;

1.5 - лопатка;

1.6 - паз;

1.7 - крышка;

1.8 - цилиндрический выступ;

2 - уплотнительное подводящее устройство;

2.1 - корпус;

2.2 - фланец;

2.3 - кольцевая канавка;

2.4 - пружинная тарельчатая шайба;

2.5 - шайба;

2.6 - сальниковая набивка;

2.7 - канал;

3 - ступица;

3.1 - вал;

3.2 - опора;

4 – корпус.

Осуществление заявленного решения:

Паровая турбина работает следующим образом.

Рабочее тело (пар) под давлением подают в осевой канал (2.7) фиг. 2 уплотнительного подводящего устройства (2). На выходе из канала (2.7) поток рабочего тела взаимодействует с рассекателем (1.4) фиг. 5, который, образуя поворот газового тракта с закруглением, направляет поток рабочего тела через, как минимум, одно отверстие (1.3) на боковой поверхности втулки (1.2) во внутренний рабочий объем, как минимум, одной закрепленной на держателе (1.1) ротора (1) лопатки (1.5). В момент поступления в рабочий объем, как минимум, одной лопатки (1.5), рабочее тело расширяется, а далее, проходя по рабочему объему лопатки (1.5), рабочее тело не изменяет параметров (расширение не происходит), тем самым создавая движущую силу, которая приводит в движение ротор (1). Вращение ротора (1) турбины передается валу (3.1) фиг. 1, установленному в опорах (3.2) расположенных в ступице (3) и далее к потребителю.

Паровая турбина относится к области машиностроения, а именно к струйно-реактивным турбинам и может быть использована в качестве силового привода электрогенератора, компрессора холодильной установки, насоса. Паровая турбина включает ротор и уплотнительное подводящее устройство. Ротор содержит держатель, в центре которого расположена втулка. Втулка на боковой поверхности имеет, как минимум, одно сквозное отверстие, а также рассекатель, расположенный во внутреннем пространстве. На держателе закреплена, как минимум, одна спиралеобразная лопатка, состоящая из двух герметично соединенных продольных спиралеобразных частей. Одна из двух частей лопатки или обе части имеют паз по всей длине. Один конец, как минимум, одной лопатки сопряжен с боковой поверхностью втулки, сквозное отверстие которой расположено напротив паза лопатки. Втулка имеет крышку с выступающей цилиндрической частью, расположенной в центре крышки и имеющей сквозное осевое отверстие. Уплотнительное подводящее устройство содержит корпус с фланцем. На торце корпуса уплотнительное устройство имеет кольцевую канавку, в которой расположены пружинные тарельчатые шайбы, шайба, сальниковая набивка. В частном случае исполнения в кольцевой канавке расположены сальниковая набивка, шайба, пружинные тарельчатые шайбы и цилиндрический выступ крышки втулки. Корпус уплотнительного устройства имеет продольный сквозной осевой канал, выполненный по всей длине корпуса. Технический результат данного изобретения заключается в создании паровой турбины простой и герметичной конструкции с низкой трудоемкостью изготовления и ремонтного обслуживания, не требующей проведения ремонтных работ по восстановлению/замене элементов уплотнения газового тракта в случае их частичного износа или малой деформации, способствующей снижению гидравлического сопротивления газового тракта в месте поступления рабочего тела во внутренний рабочий объем лопатки. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Паровая турбина, включающая ротор, уплотнительное подводящее устройство, отличающаяся тем, что на торцевой поверхности уплотнительное подводящее устройство имеет кольцевую канавку, в которой расположены пружинные тарельчатые шайбы, шайба, сальниковая набивка, в центральной части держатель ротора имеет втулку, на боковой поверхности которой расположено, как минимум, одно сквозное отверстие, во внутреннем пространстве втулка имеет рассекатель, на держателе расположена, как минимум, одна спиралеобразная лопатка, состоящая из двух герметично соединенных продольных спиралеобразных частей, один конец которой закреплен на боковой поверхности втулки, одна часть лопатки или обе части имеют паз, выполненный по всей длине и расположенный напротив сквозного отверстия на боковой поверхности втулки, втулка имеет крышку с выступающей цилиндрической частью, расположенной в центре крышки и имеющей сквозное осевое отверстие.

2. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что лопатка имеет длину, большую значения радиуса держателя.

3. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что в кольцевой канавке уплотнительного подводящего устройства расположены сальниковая набивка, шайба, пружинные тарельчатые шайбы и цилиндрический выступ крышки втулки.