Центростремительная паровая турбина Советский патент 1983 года по МПК F01D1/36 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к паровым турбинам, вращающий момент на валу хоторых развивают кориолисовы силы инерции, и может быть использовано в тепловых установках, работающих на фреоновом паре и предназначенных для утилизации низкопотенциального тепла, на тепловых и атомных электростанциях для привода вспомогательного оборудования, где источником тепла низкого потенциала может служить влажный водяной пар из регенеративных отборов главных турбин, в теплоутилизирующих контурах стационарных и судовых газотурбинных установок, а также в других теплосиловых установках.

Известна центростремительная паровая турбина с внутренним парциальным подводом пара, состоящая из полого рабочего колеса с радиальными ребрами, отделенными от остального объема внутренней полости паровым щитом, и неподвижных сопловых стоек, установленных внутри рабочего колеса 1.

- Недостаток этой турбины состоит в том, что ее коэффициент полезного действия (КПД) сопоставим с КПД турбин обычного типа лищь в небольщих пределах изменения мощности (до 150 кВт). При большей мощности КПД турбины снижается и она становится менее экономичной по сравнению с обычными паровыми турбинами.

Известна центростремительная паровая турбина, содержащая корпус с тангенциально установленным соплом, рабочее колесо барабанного типа с радиальными каналами, сообщающими полую ступицу с периферийной кольцевой полостью, расположенной между корпусом и рабочим колесом 2.

Однако такая турбина характеризуется недостаточно полным использованием кориолисовых сил для соверщения работы рабочим .,колесом и снижением надежности.

Цель изобретения - повыщение надежности и экономичности.

Указанная цель достигается тем, что в центростремительной паровой турбине, содержащей корпус с тангенциально установленным соплом, рабочее колесо барабанного типа с радиальными каналами, сообщающими полую ступицу с пер 1ферийной кольцевой полостью, расположенной между корпусом и рабочим колесом, периферийная кольцевая полость имеет постоянную площадь поперечного сечения, радиальные каналы образованы прямыми и изогнутыми трубками, вход которых расположен в одной плоскости поперечного сечения корпуса, а выход - по меньшей мере, в трех параллельных плоскостях поперечного сечения по.эй ступицы.

На фиг. 1 изображена турбина, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, поперечный разрез; на фиг. 3 - развертка наружной цилиндрической поверхности полой ступицы рабочего колеса.

Центростремительная паровая турбина Содержит корпус 1 с тангенциально установленным соплом 2 и рабочее колесо 3 барабанного типа с радиальными каналами 4, сообщающими полую ступицу 5 с периферийной кольцевой полостью 6 в виде полого тора Т-сгбразного сечения, которая имеQ ет постоянную площадь поперечного сечения. Радиальные каналы 4 образованы прямыми и изогнутыми (коленчатыми-) трубками 7 и 8, вход которых расположен с одной плоскости 9 поперечного сечения корпуса 1, а выход - по меньщей мере в трех

5 параллельных плоскостях 10, 11 и 12 поперечного сечения полой ступицы 5.

Рабочее колесо 3 представляет собой сварную конструкцию, выполненную в- виде цельнбкованной полой ступицы 5 с тремя рядами сквозных отверстий 13, в которые

0 вставлены прямые и изогнутые (коленчатые) трубки 7 и 8, и сидящих на полой ступице 5 профильных дисков 14 и 15, которые сварены между собой, с прямыми и изогнутыми трубками 7 и 8 и с полой ступицей 5,

5 последняя соединена с выходным патрубком (не показан).

Рабоче5е колесо 3 установлено в корпусе 1, снабженном фланцами 16 для крепления крышек 17 и к которому приварены лапы 18. Турбина снабжена подщипниками

Q 19, запрессованными в крышки 17 корпуса 1. Для вывода пара, просочивщегося в пространство 20 между рабочим колесом 3, профильными дисками 14 и 15 и крышками 17, имеются дренажные щтуцера (не показаны). Вращающий момент приводному механизму турбина передает с помощью зубчатого колеса 21, которое жестко сидит на полой ступице 5 рабочего колеса 3.

Если необходимо, чтобы турбина была реверсивной, то в корпусе 1 устанавливают два сопла 2, из которых одно служит для вращения рабочего колеса 3 по направлению вращения часовой стрелки, а второе - в противоположном направлении.

Центростремительная паровая турбина работает следующим образом.

5 Пар, например фреон-П, через тангенциально установленное сопло 2 поступает в периферийную кольцевую полость 6, не встречая на своем пути никаких подвижных препятствий, и заполняет периферийную кольцевую полость 6, радиальные каналы 4

и полую ступицу 5. При вращении рабочего колеса 3 сухой насыщенный пар, заключенный в полой ступице 5 и радиальных каналах 4 (трубках 7, 8), вращается синхронно вместе с рабочим колесом 3. , Вследствие того, что вращающаяся паровая среда находится под воздействием центробежных сил, давление в ней экспоненциально нарастает вдоль радиуса вращения и достигает максимума в периферийной кольцевой полости 6 и минимума у оси вращения.

Вращение в корпусе 1 турбины паровой среды, синхронное с вращением рабочего колеса 3, происходит как на холостом ходу, так и на рабочем ходу. При этом холостому ходу соответствует состояние механического и термодинамического равновесия, т. е. такое состояние, когда параметры пара во всех частях вращающегося рабочего колеса 3 сохраняются неизменными и в системе нет никаких потоков. При поступлении в периферийную кольцевую полость 6 из сопла 2 свежего пара, который характеризуется такой же температурой и таким же давлением, каким обладает пар, заключенный в периферийной кольцевой полости 6, а абсолютная скорость пара, вытекающего из сопла 2, равна тангенциальной скорости парового потока в его движении относительно оси маховика.

Поскольку при входе струи пара в периферийную кольцевую полость 6 изменяется лишь направление скорости (скорость прямолинейного движения преобразуется в тангенциальную скорость) кинетическая энергия вновь поступившего пара не изменяется, в то же время кинетическая энергия пара, находящегося в периферийной кольцевой полости 6, увеличивается, так как увеличивается масса пара в ней. Одновременно вследствие некоторого повыщения давления в периферийной кольцевой полости 6 нарущается и ранее существовавшее в системе механическое равновесие. Теперь разности давлений, возбуждаемые центробежными силами, уже не в состоянии уравновешивать давление пара в .периферийной кольцевой полости бив радиальных каналах 4, возникают центростремительные потоки пара. В том случае, когда приток пара из сопла 2 в периферийную кольцевую полость 6 имеет непрерывный характер, указанные центростремительные паровые потоки становятся стационарными.

Наличие переносного вращательного движения и относительного поступательного движения паровых масс вызывает появление кориолисовых сил инерции, которые, будучи приложенными к внутренним поверхностям радиальных каналов 4 (трубок 7, 8) развивают вращающий момент, совпадающий по направлению с направлением вращения рабочего колеса 3. Поскольку давление пара в слоях, находящихся дальше от оси вращения, больше, чем давление пара в слоях, находящихся вблизи от оси вращения,,движение пара из периферийной кольцевой полости б в полую ступицу 5 сопровождается его адиабатным расширением (вдоль направления движения) и производством соответствующей работы. Одновременно происходит и гашение переносной скорости пара, так как окружная скорость любого слоя пара находится в линейной

зависимости от радиуса вращения и, следовательно, по .мере приближения слоя к оси вращения уменьшается.

Таким образом, принцип действия цемтро5 стре.мительной паровой турбины предусматривает двухстадийное преобразование потенциальной энергии пара, поступающего в турбину, в работу.

На первой стадии часть потенциальной

Q энергии пара преобразуется в сопле 2 в кинетическую энергию потока, которому сообщают круговое движение относительно оси турбины. На этой стадии никакой внешней работы турбина не производит.

Поступление пара в периферийную кольцевую полость 6 турбины нарушает механическое равновесие в паровой среде, заполняющей рабочее колесо 3 и вращающейся с ним как одно целое, вследствие чего в турбине возникают центростремительные паровые потоки. Центростремительные потоки пара сопровождаются его адиабатным расширением, что соответствует второй стадии преобразования потенциальной энергии пара в работу. Поскольку, однако, на этой стадии работа производится против центробежных сил инерции (т. е. внутренних

5 сил), она является фиктивной.

Как расширение пара в сопле 2, так и расщирение пара в радиальных каналах (трубках 7, 8) рабочего колеса непосредственно с производством действительной

внешней работы не связано. Действительная работа, производимая турбиной, является побочным результатом фиктивной работы и связана с переносом вращающихся относительно оси турбины паровых масс из зоны больших окружных скоростей в зону

с меньших. Указанная работа производится кориолисовыми силами инерции и количественно эквивалента сумме, состоящей из той энергии, которая была затрачена на разгон массы пара на первой стадии, и той энергии, которая была затрачена на второй

стадии, в процессе преодоления центробежных сил, т. е. в процессе адиабатного расширения радиального парового потока.

Отработанный пар из полой ступицы 5 отводится через выходной патрубок в кон денсатор.

Таким образом, выполнение периферийной кольцевой полости с постоянной площадью поперечного сечения и радиальных каналов с определенным количеством рядов трубок позволяет создать турбину со сравнительно небольшими удельными потерями энергии с выходной скоростью и габаритными размерами. Отсутствие в турбине направляющих и рабочих лопаток обтекаемого профиля и синхронное вращение рабочего колеса и паровой среды приводит к умень5 шению внутренних потерь и увеличению внутреннего относительного КПД турбины, а также повышений надежности работы. Одновременно за счет использования сухого

насыщенного пара (вместе перегретого в обычных турбинах), при условии нагрева конденсата в экономайзере, термический КПД цикла еще больше возрастает.

Кроме того, предлагаемая турбина конструктивно проще известных турбин, что уменьшает удельную трудоемкость ее изготовления.

ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА, содержащая корпус с тангенциально установленным соплом, рабочее колесо барабанного типа с радиальными каналами, сообщающими полую ступицу с периферийной кольцевой полостью, расположенной между корпусом и рабочим колесом, отличающаяся тем, что, с целью повыщения надежности и экономичности, периферийная кольцевая полость имеет постоянную площадь поперечного сечения, радиальные каналы образованы прямыми и изогнутыми трубками, вход которых расположен в одной плоскости поперечного сечения корпуса, а выход - по меньшей мере, в трех параллельных плоскостях поперечного сечения полой ступицы. 2 J /« (Л со QO ОС со