Корпус двухпоточной биротативной турбогенераторной установки для выработки электроэнергии Российский патент 2025 года по МПК F01D25/24 F01D15/10 F02C7/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к корпусам двухпоточных биротативных турбогенераторных установок (ТГУ) для выработки электроэнергии.

В этой области существуют следующие проблемы:

- влияние высокой температуры на обмотку статоров встроенных генераторов;

- малая жесткость конструкции и влияние вибраций и колебаний на установку;

- отсутствие системы смазывания и охлаждения подшипниковых узлов;

- отсутствие выпускного тракта для отвода отработанного рабочего тела.

Известны ТГУ [1, 2], содержащие опорные рамы, трубопроводы, через которые поступает рабочее тело, корпуса с возможностью размещения колес роторов и статоров.

Устройство [1] относится к турбинам для преобразования кинетической и потенциальной энергии жидкой или газообразной среды в механическую энергию. Корпус ТГУ содержит два ротора с подшипниковыми узлами, являющихся составляющими однопоточной биротативной реактивной турбины.

Недостатки данного устройства следующие: отсутствует система смазывания и охлаждения подшипниковых узлов, малая жесткость конструкции, а также высокое сопротивление вращению подвижных частей конструкции в силу открытого типа конструкции корпуса.

Устройство [2] относится к ТГУ, не являющимся биротативными, имеет корпус с опорами, трубопроводы подачи и отвода рабочего тела. ТГУ предназначена для получения электроэнергии путем расширения под давлением газообразного аммиака с приведением в движение ротора.

К слабым сторонам устройства относятся небольшое сечение канала отвода отработанного тела, что в свою очередь приводит к потере КПД ротора вследствие повышения давления на выходе, а также отсутствие системы смазывания и охлаждения подшипниковых узлов.

Ближайшим техническим устройством, выбранным в качестве прототипа, является корпус роторного биротативного газотурбинного двигателя, предназначенного для выработки электроэнергии, описанного в патенте [3]. Рабочее колесо второго ротора двухпоточной биротативной ТГУ установлено соосно и коаксиально относительно рабочего колеса первого ротора с возможностью независимого вращения в противоположном направлении. Первый ротор жестко соединен с внешним генератором. Второй ротор образует встроенный генератор путем размещения магнитов на валу ротора и намотку в цилиндрическом корпусе статора. Корпус ТГУ содержит трубопроводы подачи рабочего тела в закрепленное на валу рабочее колесо первого ротора.

Недостатками корпуса указанного устройства являются:

- близкое расположение намотки к каналу подвода рабочего тела, имеющего высокую температуру, что приводит к снижению индукционных свойств встроенного генератора, а следовательно, к снижению надежности и КПД установки;

- отсутствует опора в плоскости вращения дисков: имеющиеся опорные рамы консольно закреплены с одной плоскостью заделки, что приводит к увеличению вибраций и повышению влияния дисбаланса ротора на уплотнительные контактные узлы устройства, как следствие, увеличиваются утечки рабочего тела через уплотнения, снижая КПД, а также уменьшается надежность ТГУ;

- подшипниковые узлы роторов не имеют систем смазывания и охлаждения, что снижает ресурс работы подшипников, а также уменьшает КПД и надежность ТГУ;

- отсутствие выпускного тракта не позволяет эффективно отводить отработанное рабочее тело при его выходе из второго ротора, уменьшает КПД и надежность ТГУ. Отвод отработанного рабочего тела в атмосферу происходит без какой-либо защиты персонала или периферийной аппаратуры (внешний генератор, инверторные шкафы, тормозные резисторы), что снижает безопасность эксплуатации ТГУ.

Цель заявляемого изобретения - повышение КПД и надежности ТГУ относительно прототипа.

Заявляемый корпус двухпоточной биротативной ТГУ для выработки электроэнергии поясняется чертежами (фиг. 1-5).

Корпус состоит из главных опорных рам 1, вспомогательных опорных рам 2, цилиндрических корпусов 3, корпусов-радиаторов 4 поддержки намотки, выпускного тракта 5 в форме улитки, малых фиксирующих хомутов 6 и больших фиксирующих хомутов 7, торцевых крышек 8, монтажных люков 9, внутренних кожухов 10, поддерживающих пилонов 11 слива смазки, поддерживающих пилонов 12 подачи и слива смазки. Цилиндрические корпуса 3 содержат продольные каналы 13 охлаждения, бурты 14, каналы 15 смазки и охлаждения подшипников второго ротора 16 ТГУ, кольцевой коллектор 17 подачи смазки, кольцевой коллектор 18 слива смазки с каналов 13, каналы 19 слива смазки с пилонов 11 и 12, входные отверстия 20 подачи рабочего тела, каналы 21 смазки и охлаждения подшипников первого ротора 22 ТГУ. Торцевые крышки 8 имеют манжетные уплотнения 23 с валом первого ротора 22, которые поджимаются монтажными люками 9. Главные опорные рамы 1 содержат первые плоскости 24 заделки, вторые плоскости 25 заделки, ребра 26 жесткости, ложементы 27 и основание 28.

Корпуса-радиаторы 4 поддержки намотки скреплены с цилиндрическими корпусами 3 через опорные фланцы 29, а со вспомогательными опорными рамами 2 - через фланцы 31. Корпуса-радиаторы 4 поддержки намотки содержат ребра 30 жесткости, ребра 32, крепления 33 намотки встроенного генератора ТГУ, бурты 34 крепления выпускного тракта 5. На корпуса-радиаторы 4 установлены лабиринтные уплотнители 35, уплотняющие выпускной тракт 5.

Смазкой и телом для отвода тепла в каналах охлаждения является масло.

Для надежной и жесткой фиксации цилиндрических корпусов 3 к опорным рамам 1 используются малые фиксирующие хомуты 6 и большие фиксирующие хомуты 7. Хомуты 6 и 7 расположены над первыми плоскостями 24 заделки и вторыми плоскостями 25 заделки и плотно обжимают корпуса 3.

Охлаждение и смазка подшипниковых узлов первого и второго роторов ТГУ осуществляется следующим образом: масло поступает в коллекторы 17, где равномерно по всей протяженности корпусов 3 протекает по каналам 13, осуществляя теплосъем с заявляемого корпуса ТГУ, где частично через пилоны 12 масло поступает в подшипниковые узлы первого ротора 22. Закольцовываясь, часть масла уходит в бурты 14, из которых по каналам 15 поступает в подшипниковые узлы второго ротора 16. Излишки масла из каналов 13 удаляются через коллектор 18 слива смазки. Слив масла из пилонов 11 и 12 происходит через каналы 19.

Корпуса-радиаторы поддержки намотки позволяют располагать намотку ближе к внешнему контуру ТГУ, за счет чего ребра существенно снижают влияние высокой температуры тракта рабочего тела и осуществляется классическая компоновка генератора, в которой ротор вращается внутри статора, что значительно повышает надежность работы и КПД установки.

Опорные рамы с двумя плоскостями заделки, фиксирующие хомуты и применение дополнительных вспомогательных опорных рам вблизи центра массы ТГУ (в районе плоскости вращения дисков турбины) минимизируют консольность закрепления конструкции, уменьшают колебания и вибрации, что положительно влияет на надежность и эффективность контактных уплотнений, позволяет обеспечивать минимальные зазоры между подвижными частями ТГУ и приводит к повышению КПД и надежности установки.

Обеспечение смазки и охлаждения подшипниковых узлов, а также расположение каналов подачи смазки внутри цилиндрических корпусов способствуют их охлаждению, позволяют снизить общую температуру в узлах ТГУ и обеспечить повышение КПД и надежности установки, а также значительно повышают ресурс подшипниковых узлов.

Выпускной тракт в форме улитки позволяет с высокой эффективностью отводить рабочее тело от ТГУ за счет направления остаточной инерции отработанного рабочего тела ТГУ после выхода из второго ротора, что снижает сопротивление при вращении второго ротора, повышает КПД и надежность ТГУ, а также обеспечивает безопасность эксплуатации ТГУ.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение КПД и надежности ТГУ, что достигается компоновкой корпуса ТГУ с учетом минимизации влияния высокой температуры на встроенные генераторы, разработкой системы охлаждения и смазки подшипниковых узлов через каналы, комплексным повышением жесткости несущих элементов конструкции и применением устройства эффективного выпуска рабочего тела ТГУ.

Предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества:

- безопасность эксплуатации ТГУ;

- повышение ресурса ТГУ;

- экологичность ТГУ за счет возможности установки фильтров на выпускной тракт.

Заявляемое устройство может быть выполнено с помощью стандартного оборудования и материалов отечественного производства и, таким образом, соответствует критерию «промышленная применимость».

Источники, принятые во внимание

1. Пат. 2019048918 WO, МПК (2006.01) F03B 3/08, F01D 1/32. Centrifugal action-reaction turbine / Tommasini F. - Заявл. 09.03.2018; опубл. 14.03.2019.

2. Пат. 220015279 CN, МПК (2006.01) F03B 3/08, F01D 15/10 и др. Ammonia expansion generator / Song Benshuai и др. - Заявл. 28.06.2023; опубл. 14.11.2023.

3. Пат. 2702317 RU, МПК (2006.01) F02C 3/16. Роторный биротативный газотурбинный двигатель / Исаев С.К. - Заявл. 01.07.2019; опубл. 07.10.2019, Бюл. №28.

4. Пат. 2649163 RU, МПК (2006.01) F03D 1/04 и др. Турбина, включающая, по крайней мере, два полых объемных колеса, вложенных друг в друга / Каррусет П. (FR), Каррусет Н (FR), Каррусет Г. (FR) - Заявл. 23.10.2013; опубл. 30.03.2018, Бюл. №10.

5. Пат. 2673431 RU, МПК (2006.01) F02C 3/16. Способ получения механической энергии, однопоточная и двухпоточная реактивные турбины и турбореактивная установка для его реализации / Исаев С.К. и др. - Заявл. 05.08.2013; опубл. 10.02.2015, Бюл. №4.

6. Пат. 2742711 RU, МПК (2006.01) F01D 1/32. Радиальная биротативная активно-реактивная турбина (варианты) / Леонов А.Г. и др. - Заявл. 28.04.2018; опубл. 09.02.2021, Бюл. №31.

7. Заявка 2020129302 RU, МПК F01D 1/32. Двухступенчатый биротационный реактивно-роторный двигатель / Дяченко С.А., Сычиков В.И. -Заявл. 03.09.2020; опубл. 03.03.2022, Бюл. №7.

8. Пат. 2017379416 AU, МПК F01D 1/32 и др. A turbine / El Safty А. - Заявл. 20.12.2017; опубл. 28.06.2018.

9. Пат. 110043323 CN, МПК F01D 1/08, F01D 9/04, F01K 7/02. Supersonic radial-inward-flow turbine / Kang Lei и др. - Заявл. 16.05.2019; опубл. 23.07.2019.

10. Пат. 110088426 CN, МПК F01D 1/32 и др. A turbine / El Safty А. - Заявл. 20.12.2017; опубл. 02.08.2019.

11. Пат. 112081684 CN, МПК F02K 3/062 и др. Jet fan engine - Заявл. 20.06.2020; опубл. 15.12.2020.

12. Пат. 113494316 CN, МПК F01D 1/22, F01D 9/02, F02G 5/02. Turbine waste heat recovery expander with passive method for system flow control / Huscher F.M. и др. - Заявл. 20.05.2020; опубл. 12.10.2021.

13. Пат. 115306584 CN, МПК F02K 9/48 и др. Liquid rocket engine turbine pump with contra-rotating turbine / Sun Hengshan - Заявл. 30.08.2022; опубл. 08.11.2022.

14. Пат. 115788594 CN, МПК F01D 1/22 и др. High-speed radial turbo expander / Yang Renhong - Заявл. 07.12.2022; опубл. 14.03.2023.

15. Пат. 209385183 CN, МПК F01D 1/00, F01D 25/24, F01B 25/00. Compact four-stage turbine / Xu Xinyao - Заявл. 28.12.2018; опубл. 13.09.2019.

16. Пат. 209818115 CN, МПК F01D 1/08, F01D 9/04, F01K 7/02. Supersonic centripetal turbine / Kang Lei и др. - Заявл. 16.05.2019; опубл. 20.12.2019.

17. Пат. 212774423 CN, МПК F01D 1/22, F01D 9/02, F02G 5/02. A turbo expander for outputting power extracted from working fluid / Huscher F.M. и др. - Заявл. 20.05.2020; опубл. 23.03.2021.

18. Пат. 216429681 CN, МПК F01D 1/04 и др. 10 MW axial flow SCO₂ turbine / Liu Zhide и др. - Заявл. 20.01.2022; опубл. 03.05.2022.

19. Пат. 219638900 CN, МПК F01D 3/02 и др. Back pressure type steam turbine of cogeneration unit / Wang Wei и др. - Заявл. 08.03.2023; опубл. 05.09.2023.

20. Пат. 23207 CZ, МПК F02C 1/04 и др. Two-stage expansion turbine / Maykhrakova V. - Заявл. 14.10.2011; опубл. 09.01.2012.

21. Пат. 303864 CZ, МПК F0ID 15/10 и др. Two-stage expansion turbine / Maykhrakova V. - Заявл. 14.10.2011; опубл. 29.05.2013.

22. Пат. 2518372 ES, МПК F01D 1/32, F01D 1/22. Rotary heat engine / Schlote A.D. - Заявл. 02.01.2007; опубл. 05.11.2014.

23. Пат. 2911109 ES, МПК F01D 1/32, F01D 5/00. Oblong turbine / Fernandez Montes J. - Заявл. 27.01.2022; опубл. 17.05.2022.

24. Пат. 2017075605 JP, МПК F01D 1/06, F01D 1/22. Turbine wheel for radial flow turbine / Schwarz L. - Заявл. 13.10.2016; опубл. 20.04.2017.

25. Пат. 102466545 KR, МПК F01D 1/04 и др. Compression-type high-pressure turbine / Kim T.G. - Заявл. 03.05.2022; опубл. 10.11.2022.

26. Пат. 1982067 РТ, МПК F01D 1/32, F02K 99/00, F01D 1/22. Rotary heat engine / Schlote A.D. - Заявл. 02.01.2007; опубл. 29.10.2014.

27. Пат. 20030014960 US, МПК F02K 7/10 и др. Impulse turbine for rotary ramjet engine / Lawlor S.P. и др. - Заявл. 23.07.2001; опубл. 23.01.2003.

28. Пат. 20120141261 US, МПК F01D 5/22 и др. Composite shroud and methods for attaching the shroud to plural blades / Giovannetti I. и др. - Заявл. 07.05.2010; опубл. 07.06.2012.

29. Пат. 20130152543 US, МПК F02C 1/00, F02C 3/04, F02C 3/00. Radial inflow gas turbine engine with advanced transition duct / Wiebe D.J. - Заявл. 15.12.2011; опубл. 20.06.2013.

30. Пат. 20150037134 US, МПК F01D 1/06. Method for producing mechanical energy, single-flow turbine and double-flow turbine, and turbo-jet apparatus therefor / Isaev S.K. - Заявл. 05.02.2014; опубл. 05.02.2015.

31. Пат. 20180023410 US, МПК F01D 1/32 и др. Engine, rotary device, power generator, power generation system, and methods of making and using the same / Brent Wei-Teh Lee - Заявл. 05.07.2017; опубл. 25.01.2018.

32. Пат. 2013184042 WO, МПК (2006.1) F02C 5/12, F01D 1/12. Multistage turbomachine (variants) / Kostyukov V.N. - Заявл. 10.06.2013; опубл. 12.12.2013.

33. Пат. 2015019294 WO, МПК F01D 1/32. Method for producing mechanical energy, single-flow turbine and double-flow turbine, and turbo-jet apparatus therefor / Isaev S.K. - Заявл. 05.08.2013; опубл. 12.02.2015.

34. Пат. 2021002773 WO, МПК (2006.01) F02C 3/16, F01D 1/32. Birotational rotary gas turbine engine / Isaev S.K. - Заявл. 22.06.2020; опубл. 07.01.2021.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к корпусам двухпоточных биротативных турбогенераторных установок (ТГУ) для выработки электроэнергии. Заявляемый корпус двухпоточной биротативной ТГУ для выработки электроэнергии состоит из главных опорных рам, вспомогательных опорных рам, цилиндрических корпусов, корпусов-радиаторов поддержки намотки, выпускного тракта, малых фиксирующих хомутов и больших фиксирующих хомутов, торцевых крышек, монтажных люков, внутренних кожухов, поддерживающих пилонов слива смазки, поддерживающих пилонов подачи и слива смазки. Цилиндрические корпуса содержат продольные каналы охлаждения, бурты, каналы смазки и охлаждения подшипников второго ротора ТГУ, кольцевой коллектор подачи смазки, кольцевой коллектор слива смазки с каналов, каналы слива смазки с пилонов, входные отверстия подачи рабочего тела, каналы смазки и охлаждения подшипников первого ротора ТГУ. Торцевые крышки имеют манжетные уплотнения с валом первого ротора, которые поджимаются монтажными люками. Главные опорные рамы содержат первые плоскости заделки, вторые плоскости заделки, ребра жесткости, ложементы и основание. Корпуса-радиаторы поддержки намотки скреплены с цилиндрическими корпусами через опорные фланцы, а со вспомогательными опорными рамами - через фланцы. Корпуса-радиаторы поддержки намотки содержат ребра жесткости, ребра, крепления намотки встроенного генератора ТГУ, бурты крепления выпускного тракта. На корпуса-радиаторы установлены уплотнители, уплотняющие выпускной тракт. Техническим результатом заявляемого решения является повышение КПД и надежности ТГУ. 5 ил.

Корпус двухпоточной биротативной турбогенераторной установки для выработки электроэнергии, характеризующийся тем, что состоит из цилиндрических корпусов, имеющих поддерживающие пилоны подачи и слива смазки и поддерживающие пилоны слива смазки, из главных опорных рам, содержащих по две плоскости заделки, из вспомогательных опорных рам, внутренних кожухов, торцевых крышек, корпусов-радиаторов поддержки намотки, выпускного тракта, кольцевого коллектора подачи смазки, кольцевого коллектора слива смазки, продольных каналов охлаждения, каналов смазки и охлаждения, буртов и каналов слива смазки с поддерживающих пилонов; при этом корпуса-радиаторы поддержки намотки с установленными на них уплотнителями содержат ребра, ребра жесткости, крепления намотки и бурты крепления выпускного тракта; корпуса-радиаторы поддержки намотки скреплены со вспомогательными опорными рамами через фланцы, а с цилиндрическими корпусами - через опорные фланцы.